燃煤電廠二氧化碳排放監測與減排優化策略研究

2024-12-31 00:00:00尤晨昱

資源節約與環保 2024年8期

摘要：燃煤電廠作為我國電力供應的主要來源，其CO₂排放問題日益受到關注。基于對燃煤電廠CO₂排放現狀的調研，探討有效的監測技術與減排策略，為我國電力行業的低碳轉型提供相關科學依據。通過詳實的數據分析，揭示燃煤電廠CO₂排放的特征與趨勢，強調當前排放水平對環境和氣候的潛在影響。針對CO₂排放監測，總結比較現有的CO₂排放監測技術，為精確量化燃煤電廠CO₂排放提供技術支撐。在此基礎上，進一步提出燃煤電廠CO₂排放的減排優化策略，從燃煤技術改進、能源結構調整，以及碳捕集、利用與封存（CCUS）技術和政策支持等方面，深入探討與分析，為電力行業低碳轉型提供參考。

關鍵詞：燃煤電廠；CO₂排放；監測；碳減排；策略

引言

在全球氣候變暖的嚴峻挑戰下，燃煤電廠作為我國電力供應的支柱，其二氧化碳（CO₂）排放問題日益凸顯[1]。燃煤發電產生的大量CO₂排放不僅加劇了全球氣候變暖，還對生態環境和公眾健康構成了嚴重威脅。因此，深入了解燃煤電廠CO₂排放特征和趨勢，研發有效的監測技術，以及探索減排策略，成為實現我國電力行業低碳轉型的迫切任務。本文分析了燃煤電廠CO₂排放數據和特征，對現有CO₂排放監測技術進行了評述，并進一步提出了燃煤電廠CO₂排放的減排優化策略，旨在為燃煤電廠低碳轉型提供科學依據，推動燃煤電廠的綠色升級，助力國家“雙碳”目標的實現。

1 燃煤電廠CO₂排放現狀分析

1.1 燃煤電廠CO₂排放數據統計與趨勢分析

燃煤電廠是我國電力供應的主要支柱，其CO₂排放量在國家總碳排放中占有較大比重。2023年，我國能源相關CO₂排放量為126億t，其中發電端占比超過40%，燃煤電廠供電CO₂排放強度顯著高于全國平均水平，這與《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》（簡稱“十四五”規劃）的減排目標存在巨大差距，凸顯了電力行業在實現碳減排方面的緊迫任務[2]。

在過去幾十年里，隨著工業化進程的加快和居民生活水平的提升，燃煤電廠的CO₂排放量隨著電力需求的增加而同步增長。具體到時空分布，燃煤電廠的CO₂排放主要集中在華北、華東等能源消耗較大、經濟發展水平較高的地區，其與區域經濟活動和電力需求關聯度較高。此外，隨著國家對可再生能源的大力推廣和能源結構的調整，部分地區的燃煤電廠CO₂排放量已經開始下降，反映出能源轉型的初步成效。但這些地區碳減排壓力依然巨大，要實現長期減排目標，仍需進一步的政策引導和技術革新。

燃煤電廠的CO₂排放現狀，凸顯了其在碳排放控制方面所面臨的嚴峻挑戰，同時也體現了政策引導和技術進步在減緩排放增長方面所發揮的積極作用。通過對燃煤電廠的CO₂排放特征和影響因素進行系統分析，可更好地為燃煤電廠碳減排優化策略提供實證基礎，推動我國燃煤發電行業的低碳轉型。

1.2 燃煤電廠CO₂排放影響因素分析

燃煤電廠的CO₂排放影響因素眾多，且相互交織，包括技術因素、經濟因素、政策因素、環境因素等。

1.2.1技術因素對CO₂排放有直接影響

從技術角度看，燃煤電廠的CO₂排放與供電煤耗直接相關。在煤質相近的前提下，提高發電效率、降低供電煤耗對燃煤電廠降低CO₂排放具有直接影響，主要通過采用超臨界和超超臨界技術來提高熱效率和發電效率，從而提升燃煤電廠的節能環保水平。此外，通過改造鍋爐實現生物質原料替代一部分燃煤、提高鍋爐效率、降低廠用電率等措施也能在源頭上減少CO₂的排放[3]。

1.2.2經濟因素對CO₂排放有驅動作用

隨著低碳經濟的發展，煤炭價格、環保成本及清潔能源補貼等經濟因素會促使燃煤電廠尋求更加清潔的發電方式。如，天然氣發電的碳排放遠低于傳統燃煤發電，隨著天然氣價格的下降，采用天然氣替代燃煤可大幅降低CO₂排放。我國大型電力集團，如華電、華能、浙江能源、廣東能源等，通過優化能源結構、降低煤電發電量及節能改造等，在實踐中驗證了經濟驅動下的減排效果。

1.2.3政策因素在CO₂排放控制中起著決定性作用

“十四五”規劃設定了明確的減排目標，如單位國內生產總值CO₂排放下降18%、單位國內生產總值能源消耗降低13.5%、非化石能源占比達到20%等。通過制定嚴格的排放標準和減排指標，促進降碳技術創新、研發和應用，設立電價補貼、稅收優惠等經濟激勵政策，建立和發展碳排放交易市場等措施，有效推動了燃煤電廠CO₂排放控制，促進了燃煤電廠的低碳轉型。

1.2.4環境因素對CO₂排放的影響不容忽視

隨著全球對氣候變化的關注度提升，各國政府紛紛推出相應政策，如包含《巴黎協定》在內的國際協議，對全球氣溫上升幅度作出限制，不僅敦促各國采取行動，也促使燃煤電廠積極尋求有效的減排策略。因此，為實現減排目標，燃煤電廠嘗試采用新技術和新方法，以降低自身的排放水平。如，通過改進燃燒技術、提高燃燒效率，減少單位發電量的CO₂排放；同時，積極探索和開發清潔能源的替代方案，以逐步減少對燃煤的依賴。

由于燃煤電廠的CO₂排放受技術進步、經濟成本、政策引導和環境壓力多方面因素的影響，因而理解這些因素及其相互作用，既是制定有效減排策略的關鍵，也是實現燃煤電廠綠色升級和我國CO₂排放長期穩定控制的必要步驟。

2 CO₂排放監測技術及方法

2.1 傳統監測方法與現代監測技術比較

燃煤電廠CO₂排放的精準監測是節能減排策略制定的關鍵環節[4]。傳統的監測方法主要依賴于排放因子法，即通過統計燃煤量和燃料的碳含量來估算排放量[5]。這種方法簡單易行，但存在一定的誤差，特別是在面對燃燒條件多變、煤質參差不齊及設備運行狀態差異明顯等復雜情況下，其精度和可靠性會受到較大影響。

相比之下，基于光學傳感技術的現代監測技術，能實時在線監測，顯著提高了自動化程度，使得監測數據具有更好的準確性和實時性。非分散紅外光譜技術（NDIR）、傅里葉變換紅外光譜技術（FTIR）和差分吸收激光雷達技術（DIAL）就是基于光學傳感技術中的代表。其中，紅外光譜技術[6]基于煙氣中的CO₂分子對特定波長紅外光的選擇吸收性來測量其濃度，具有精度高和響應快的優點；激光雷達技術[7]基于激光與CO₂分子之間的相互作用，通過測量激光束在傳播過程中特定波長光的吸收情況來解析其濃度，同時通過與遙感技術結合，可以形成多源數據融合的綜合監測系統，提高區域CO₂排放監測的準確性和可靠性。

盡管現代監測技術的進步顯著提升了數據質量，但它們在成本、安裝與維護復雜性及對運行條件的適應性上仍面臨著一些挑戰和限制。紅外光譜與激光雷達設備往往價格昂貴、初期投資成本較高，并對煙氣的光學條件有一定要求，如煙塵濃度和濕度可能影響測量的準確性。因此，在選擇監測方案時，需綜合考慮技術成熟度、經濟性、適應性和監管要求，以確保監測結果的可靠性和實用性。

傳統方法和現代技術的融合也被視為未來監測策略的一種趨勢。如，結合排放因子法的統計預測與實時監測數據的校準，可以形成更加穩健的排放評估體系，從而根據實際權衡精度、實時性、成本和適應性等因素，來確保監測結果的可靠性。

2.2 監測數據處理與分析方法

對燃煤電廠CO₂排放監測過程所獲取的數據進行必要的預處理和深入分析，不僅能揭示CO₂排放特征和識別排放趨勢，還能為減排策略制定提供依據。因此，本節將探討數據清洗、統計分析、趨勢建模和空間插值等適用于燃煤電廠CO₂排放數據的處理及分析方法。

2.2.1數據清洗

數據清洗是保證監測數據準確性和可靠性的基礎步驟，包括檢查和處理異常值、缺失值、重復值及數據格式不一致等問題。在燃煤電廠的CO₂排放數據中，異常值可能源于傳感器故障、設備維護期間的暫停監測等，缺失值則可能來自于監測設備的臨時故障或數據傳輸中斷。可先采用箱型圖、3σ原則等統計方法來識別異常數據，再根據實際情況選擇合適的方法對異常數據和缺失數據進行處理，如均值插補、有效值填充等，以保證后續分析的準確性。

2.2.2統計分析

統計分析是揭示CO₂排放特征的關鍵。針對單個燃煤電廠的排放數據，通過描述性統計分析，如計算平均值、中位數、標準差等，可揭示其排放水平和波動程度。同時，可利用相關性分析來探索CO₂排放與燃煤量、發電量、熱效率等影響因素之間的關系。此外，還可以通過時間序列分析，如ARIMA模型或STL分解，來分析CO₂排放的季節性趨勢和潛在的周期性變化。

2.2.3趨勢建模

趨勢建模可用于識別和預測CO₂排放的長期變化，有助于評估政策和技術進步對排放趨勢的影響，以及預測在各種可能情景下的未來排放水平。常用的趨勢建模工具包括線性趨勢模型、曲線趨勢模型等。在實際應用中，由于CO₂排放往往受到多種復雜因素的影響，采用指數模型或對數模型等曲線趨勢模型更為適用，能夠更準確地捕捉排放趨勢的非線性變化特征。除了傳統的趨勢建模模型之外，支持向量機（SVM）和隨機森林（RF）的機器學習算法也得到了廣泛應用，這種方法通過學習大量歷史數據中的規律，挖掘出隱藏在數據背后的復雜關系，并據此進行趨勢預測。

2.2.4空間插值

空間插值技術用于處理多源監測數據，其在燃煤電廠分布廣泛的場景中發揮重要作用。通過空間插值，可將有限的點狀監測數據擴展到整個區域，揭示CO₂排放的地理分布特征。常用的空間插值方法包括克里金插值、反距離權重法（IDW）和線性內插等，它們能幫助識別潛在的CO₂排放熱點區域，為制定區域性碳減排策略提供依據。

2.2.5小結

在實際應用中，需要將上述方法綜合運用，從而實現對燃煤電廠CO₂排放情況更全面、深入的認識和理解。如，首先對數據進行數據清洗和描述性統計，再通過時間序列分析識別短期和長期趨勢，然后應用空間插值揭示排放的空間分布，最后使用趨勢建模預測未來排放情景。這樣的多步驟分析流程有助于從不同角度刻畫燃煤電廠CO₂排放特征，為碳減排策略的制定和實施提供全面的科學支持。

3 燃煤電廠減少CO₂排放的優化策略研究

燃煤電廠減少CO₂排放的優化策略是實現全球氣候目標和我國減排承諾的關鍵。本節將從燃煤技術改進、能源結構調整，以及碳捕集、利用與封存（CCUS）技術和政策支持等方面來探討燃煤電廠減少CO₂排放的路徑。

3.1改進燃煤技術降低CO₂排放量

針對燃煤電廠自身減碳，主要關注提升燃燒效率、強化煤炭清潔利用等技術，旨在通過技術革新從源頭上減少煤炭用量、降低碳排放。對于燃煤電廠來說，提高蒸汽溫度是提升效率的重要途徑，如超超臨界機組和超超臨界二次再熱機組供電煤耗可遠低于國家要求的310g/kWh[8]。從煤炭清潔利用角度，整體煤氣化燃氣蒸汽聯合循環技術（IGCC）是潔凈煤發電技術中的佼佼者[9]，被視為最具發展潛力的發電方式之一。該技術通過煤氣化、凈化、聯合循環發電，不但能實現煤炭的完全清潔利用，而且其聯合循環效率顯著優于傳統的燃煤機組，展現出了巨大的應用前景和環保價值。

3.2調整能源結構降低化石燃料CO₂排放量

從能源結構上看，通過將太陽能、風能等波動大且間歇性強的可再生能源與具備穩定性、系統性優勢的燃煤系統相耦合[10]，不僅能夠提高整個系統的綜合利用效率，還能有效降低化石燃料碳排放。此外，將生物質、污泥與燃煤進行混燒發電，利用現有燃煤機組清潔、高效的技術優勢，能使發電效率較生物質、污泥單獨燃燒發電顯著提高，既有助于降低CO₂排放又能實現資源的高效利用。

3.3應用碳捕集、利用與封存（CCUS）技術減排CO₂

對燃煤電廠排放煙氣應用CCUS技術，是在我國能源結構以煤為主的現實情況下減排CO₂的重要手段，對于電力企業適應技術和市場變化至關重要[11]。根據燃煤煙氣中CO₂分離方法的不同，碳捕集技術可分為化學吸收法、吸附法、膜分離法等。將煙氣中捕集分離的CO₂進一步資源化利用或加以封存，如CO₂礦化利用、CO₂電催化制備化學品和化學燃料、CO₂生物轉化利用，以及CO₂驅油、CO₂海洋封存等，可有望實現CO₂的大規模消納和CCUS項目的可持續化運行。

3.4完善政策支持燃煤電廠減少CO₂排放

在政策層面，政府的引導和激勵機制，對于燃煤電廠的減排優化起著至關重要的作用。設立明確的減排目標和要求，采用先進的碳減排技術和措施，推動燃煤電廠積極開展技術升級和改造。制定激勵機制，推動燃煤電廠的碳減排優化，如優先上網收購、電價補貼等政策，推動可再生能源的發展；碳排放交易市場則提供經濟激勵，提升燃煤電廠減少碳排放的動力。

結論

綜上所述，首先通過對歷史數據的分析，揭示了燃煤電廠CO₂排放的時空分布及其與經濟發展、能源結構之間的關系；其次對國內外現有的基于排放因子的統計估算方法和基于光學傳感技術的實時監測技術的CO₂排放監測技術進行評述，如紅外光譜、激光雷達等，并在監測技術的基礎上，進一步提出燃煤電廠減少CO₂排放的優化策略；最后通過綜合分析得出應結合技術進步、能源結構調整及政策引導，優化燃煤電廠的碳減排策略。因此，通過燃煤電廠的綠色升級，可提高電力行業的可持續發展水平，能在滿足能源需求的同時控制 CO₂排放的長期穩定，為全球氣候目標的實現做出貢獻。

參考文獻

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