燃煤電廠二氧化碳排放濃度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

劉 英

(國(guó)家能源集團(tuán) 徐州發(fā)電有限公司，江蘇 徐州 221000)

以二氧化碳[1-2]等溫室氣體導(dǎo)致的全球氣候變暖問(wèn)題成為影響全球環(huán)境安全的焦點(diǎn)。電力行業(yè)[3]作為我國(guó)主要的碳排放主體，在城市碳排量中占比巨大，燃煤電廠則成為我國(guó)開展碳減排的重要對(duì)象之一。基于目前的國(guó)際形勢(shì)，我國(guó)正逐步建立完善的碳交易市場(chǎng)以及法律法規(guī)[4]，因此，降低燃煤電廠的碳排放強(qiáng)度，監(jiān)測(cè)二氧化碳排放濃度，不僅是我國(guó)碳減排、碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求，同樣是降低碳排放保護(hù)環(huán)境的重要途徑。

監(jiān)測(cè)二氧化碳排放濃度是研究燃煤電廠碳中和的前提。在燃煤電廠二氧化碳排放濃度監(jiān)測(cè)過(guò)程中，王彥琦等[5]通過(guò)采集火電廠二氧化碳排放數(shù)據(jù)，建立火電廠的連續(xù)排放濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并以火電廠為例，通過(guò)達(dá)標(biāo)判定方法對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)施判定，測(cè)試該監(jiān)測(cè)方法的可行性。Thepanondh S等[6]通過(guò)確定燃煤電廠在減少排放和環(huán)境空氣濃度方面的效率和適當(dāng)性，對(duì)燃煤電廠汞排放的最佳控制進(jìn)行評(píng)估。王振等[7]依據(jù)吸收光譜對(duì)大氣中的光譜吸收函數(shù)值，確定光譜擬合殘差；使用WM-DAS方法結(jié)合吸收光譜實(shí)現(xiàn)大氣中的二氧化碳排放濃度在線監(jiān)測(cè)。

本文在明確燃煤電廠二氧化碳排放特征的基礎(chǔ)上，研究燃煤電廠二氧化碳排放濃度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，提升燃煤電廠的二氧化碳排放濃度監(jiān)測(cè)效果。經(jīng)測(cè)試證實(shí)，所提方法在燃煤電廠二氧化碳排放濃度監(jiān)測(cè)時(shí)，監(jiān)測(cè)效果較好。

1 燃煤電廠二氧化碳排放特征分析

1.1 燃煤電廠與煤質(zhì)基本情況

依據(jù)我國(guó)現(xiàn)有600 MW燃煤主力機(jī)型，選取全國(guó)不同地域的4家燃煤電廠[8-9]若干煤粉鍋爐展開分析，燃煤鍋爐基本情況以及煤質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表1 燃煤鍋爐基本情況以及煤質(zhì)分析結(jié)果Tab.1 Basic situation of coal-fired boilers and analysis results of coal quality

1.2 樣本采集分析

煤燃燒時(shí)，煙氣中的二氧化碳是以氣體以及顆粒兩種狀態(tài)存在的。依據(jù)我國(guó)制定的固定污染源管道廢氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電廠燃煤產(chǎn)生的煙氣開展分析，確定燃煤電廠燃煤煙氣中二氧化碳的形態(tài)以及分布規(guī)律[10-11]。

1.2.1 確定除塵器和脫硫裝置對(duì)二氧化碳形態(tài)分布影響因子

依據(jù)上述燃煤鍋爐基本情況，對(duì)除塵器進(jìn)出口位置的二氧化碳實(shí)施采集處理，以此分析除塵器對(duì)二氧化碳產(chǎn)生的形態(tài)分布影響，結(jié)果見表2。分析表2可知，除塵器使用后，燃煤時(shí)產(chǎn)生二氧化碳的顆粒下降明顯，顆粒二氧化碳協(xié)同脫除效率高，但是除塵器對(duì)二氧化碳?xì)怏w濾除效果較差。

脫硫裝置對(duì)二氧化碳產(chǎn)生的形態(tài)分布影響結(jié)果見表3。分析表3可知，使用脫硫裝置開展二氧化碳脫硫處理時(shí)，脫硫裝置對(duì)二氧化碳?xì)怏w的脫除效率高于對(duì)二氧化碳顆粒的脫除效率。

表2 除塵器對(duì)二氧化碳形態(tài)分布影響分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of influence of dust collector on CO2 form distribution

表3 脫硫裝置對(duì)二氧化碳形態(tài)分布影響分析結(jié)果Tab.3 Analysis results of influence of desulfurization unit on CO2 form distribution

目前，我國(guó)燃煤電廠使用的脫硫技術(shù)[12]大多為濕法煙氣脫硫技術(shù)，選定的6臺(tái)鍋爐均使用該項(xiàng)脫硫技術(shù)。由于煙氣中二氧化碳易溶于水，濕法煙氣脫硫能有效脫除煙氣中的二氧化碳，且脫除效率高達(dá)92%，同時(shí)煙氣中的顆粒二氧化碳也被協(xié)同脫除。

1.2.2 排放特征分析

通過(guò)對(duì)燃煤鍋爐中的二氧化碳進(jìn)行燃燒和控制[13]，將二氧化碳遷移到脫硫廢水中，測(cè)定6臺(tái)鍋爐不同物質(zhì)中二氧化碳的濃度，結(jié)果如圖1所示。

分析圖1可完成燃煤電廠二氧化碳排放特征，結(jié)果如下：①燃煤電廠中，鍋爐燃煤二氧化碳釋放率較高，燃煤煙氣中二氧化碳主要以氣體形式存在；②除塵器與脫硫裝置能夠有效完成二氧化碳的協(xié)同脫除，除塵器脫除效率在12%～20%，脫硫裝置對(duì)二氧化碳?xì)怏w的平均脫除率在95%以上；③燃煤過(guò)程中，二氧化碳經(jīng)過(guò)處理后，會(huì)遷移到飛灰、底渣等燃煤副產(chǎn)物中，其中煤渣中二氧化碳含量小，脫硫廢水中的二氧化碳較多。

圖1 6臺(tái)鍋爐不同物質(zhì)中二氧化碳的濃度Fig.1 Concentration of CO2 in different substances of 6 boilers

2 二氧化碳排放濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法

依據(jù)上述燃煤電廠[14]二氧化碳排放特征分析結(jié)果，確定燃煤電廠二氧化碳監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，開展燃煤電廠二氧化碳排放濃度的在線監(jiān)測(cè)。

2.1 監(jiān)測(cè)儀器

在開展燃煤電廠二氧化碳排放濃度在線監(jiān)測(cè)時(shí)，選取德圖350-Pro煙氣分析儀[15]作為主要監(jiān)測(cè)儀器，搭配二氧化碳紅外傳感器以及紅外氣體分析儀[16]等器材，完成燃煤電廠二氧化碳排放濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2 二氧化碳樣品采集

依據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)定，確定燃煤電廠的二氧化碳采樣位置以及采樣點(diǎn)，使用全玻璃注射對(duì)采樣點(diǎn)的顆粒物實(shí)施采樣。采樣流程如下：①將取樣管豎向置于取樣點(diǎn)排氣口，用排氣管對(duì)取樣管及玻璃注射器進(jìn)行充分的清潔；②清洗后，使用玻璃注射器抽取取樣點(diǎn)的二氧化碳，并迅速密封注射器氣口送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 二氧化碳濃度測(cè)量

2.3.1 燃煤電廠現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

煙氣分析儀取樣管通常為70 cm，在前端設(shè)有不銹鋼濾網(wǎng)，用來(lái)過(guò)濾微粒，并裝有保溫套。采樣監(jiān)測(cè)前，對(duì)器材標(biāo)點(diǎn)實(shí)施校準(zhǔn)處理，測(cè)量結(jié)束后，需要開展二次采樣，將二者平均值作為監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2.3.2 二氧化碳采樣分析

二氧化碳采樣后，通過(guò)紅外氣體分析儀對(duì)其實(shí)施分析處理。分析過(guò)程中，分析儀色譜條件如下：①分析儀柱溫50 ℃；②進(jìn)樣口溫度80 ℃；③檢測(cè)器溫度200 ℃；④參比氣流量30 mL/min；⑤尾吹氣流量5 mL/min；⑥載氣(高純度氫氣)流量10 mL/min；⑦進(jìn)樣體積100 μL。

2.4 燃煤電廠二氧化碳排放濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果

在燃煤電廠中，選取5個(gè)二氧化碳采樣點(diǎn)，使用煙氣分析儀對(duì)電廠內(nèi)二氧化碳排放濃度[17]實(shí)施監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如下。

2.4.1 燃煤二氧化碳排放濃度

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)擬合方法獲取燃煤電廠實(shí)測(cè)干燥基碳含量以及擬合干燥基碳含量值，計(jì)算二者之間的誤差，精確提取燃煤電廠采樣點(diǎn)的燃煤二氧化碳排放濃度，結(jié)果見表4。

表4 燃煤二氧化碳排放濃度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.4 On site monitoring results of coal CO2 emission concentration

2.4.2 輔助用油二氧化碳排放濃度

輔助用油主要用于燃煤電廠[18-19]鍋爐啟動(dòng)初期以及低負(fù)荷穩(wěn)燃過(guò)程中，其低位發(fā)熱過(guò)程中二氧化碳排放濃度見表5。

表5 輔助用油二氧化碳排放濃度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.5 Field monitoring results of CO2 emission concentration in auxiliary oil

移動(dòng)用油主要包括電廠內(nèi)生產(chǎn)用車以及辦公用車，其排放量見表6。

表6 移動(dòng)用油二氧化碳排放濃度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.6 Field monitoring results of CO2 emission concentration in mobile oil

2.4.3 脫硫過(guò)程中的二氧化碳排放濃度監(jiān)測(cè)

燃煤電廠濕法脫硫[20]時(shí)，脫硫劑的主要成分石灰石中的碳酸鹽會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成二氧化碳。燃煤電廠脫硫過(guò)程二氧化碳排放濃度見表7。

表7 脫硫過(guò)程二氧化碳排放濃度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.7 On-site monitoring results of CO2 emission concentration in desulfurization process

對(duì)上述各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行整合處理，獲取燃煤電廠整體二氧化碳排放濃度以及監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)誤差，結(jié)果見表8。

綜上所述，基于上述監(jiān)測(cè)方法開展燃煤電廠二氧化碳排放濃度監(jiān)測(cè)時(shí)，電廠燃煤時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳濃度最高，脫硫過(guò)程產(chǎn)生二氧化碳的位列其次，移動(dòng)用油產(chǎn)生的二氧化碳最少，二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)值與實(shí)際值之間相對(duì)偏差在0%～13%，說(shuō)明該監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)效果較好。

表8 燃煤電廠二氧化碳現(xiàn)場(chǎng)總體監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)Tab.8 On-site monitoring statistics of CO2 in coal-fired power plants

3 結(jié)語(yǔ)

隨著全球變暖影響，對(duì)燃煤電廠開展必要的二氧化碳排放濃度監(jiān)測(cè)是保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排的關(guān)鍵，在此背景下，提出燃煤電廠二氧化碳排放濃度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。該方法得出的燃煤電廠二氧化碳排放元素分析結(jié)果。確定了電廠內(nèi)采樣點(diǎn)位置，使用煙氣分析儀完成二氧化碳采樣，最后結(jié)合紅外氣體分析儀與各項(xiàng)分析方法，實(shí)現(xiàn)燃煤電廠二氧化碳排放濃度的在線監(jiān)測(cè)。