京津唐区域火电厂碳排放模型的研究

第２７卷第６期　２０１３年１２月　能源环境保护　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｖ０１．２７，Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．，２０１３　京津唐区域火电厂碳排放模型的研究　白静洁，李飞　（国网电力科学研究院科东公司，北京１００１９２）　摘要：分析了火电厂发电量与ＣＯ　排放量的关系，提出火电厂碳排放的定量模型，以京津　唐目标区域为例进行实例计算，并就影响排放的因素进行比较分析，最后总结火电厂ＣＯ：　减排措施　关键词：火力发电；ＣＯ２排放量；计算模型；排放系数；减排措施　中图分类号：Ｘ７０１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—８７５９（２０１３）０６—００１５—０５　ＴＨＥ　ＭｏＤＥＬ　ｏＦ　ＣＡＲＢｏＮ　ＤＩｏＸＩＤＥ　ＥＭＩＳＳＩＯＮＳ　Ｆ０Ｒ　ＴＨＥＩ　ＡＬ　ＰｏＷＥＲ　ＰＬＡＮＴＳ　ＩＮ　ＢＥＩＪＩＮＧ—ＴＩＡＮＪＩＮ—　ＴＡＮＧＳＨＡＮ　ＴＡＲＧＥＴ　ＡＲＥＡ　ＢＡＩ　Ｊｉｎｇ－ｊｉｅ，ＬＩ　Ｆｅ　（Ｓｔａｔｅ　Ｇｒｉｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｋｅｄｏｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１９２）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｏｆ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｄｉｏｘｉｄｅ　ｅ—　ｍｉｓｓｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔｓ　ａｎｄ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ　ａ　ｑｕａｎｔｉｆｙｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎ　ｄｉｏｘｉｄｅ　ｅｍｉｓ—　ｓｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔｓ．Ｔｈｅｎ　ｂｙ　ｔｈｉｓ　ｍｏｄｅｌ，ｉｔ　ｇｉｖｅｓ　ａ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｉｎ　Ｂｅｉｊｉｎｇ－Ｔｉａｎｊｉｎ－Ｔａｎｇｓｈａｎ　ｔａｒｇｅｔ　ａｒｅａ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｌｓｏ　ｇｉｖｅｓ　ａ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ａ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｉｔ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｓ　ｔｈｅ　ｍａ—　ｊｏｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｆｏｒ　ｃａｒｂｏｎ　ｄｉｏｘｉｄｅ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ；ＣＯ２　ｅｍｉｓｓｉｏｎ；ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ；ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒ；ｔｅｃｈ—　ｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｆｏｒ　ｃａｒｂｏｎ　ｄｉｏｘｉｄｅ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　１引言　目前，大量ＣＯ：的排放所带来全球性的极端　气候问题已经引起科学界、各国政府及公众的极　大关注。同时，低碳经济作为一种新的能源发展观　已成为世界能源生产和发展的制约因素，而中国　火力发电以煤为主的能源结构在未来几十年不会　改变，煤炭的燃烧必定会产生ＣＯ　。　研究火电厂的发电量与所产生ＣＯ：的关系，旨在　通过模型计算出目标区域ＣＯ　的排放量，分析经　济发展、技术进步对火电厂ＣＯ：排放量的影响，指　出减少Ｃ０：排放量的措施。　２模型流程　由于燃煤电厂发电量与ＣＯ　的排放量之间不　存在直接的联系，因此若要得到两者之间的关系，　必须从根本分析。一般某个燃煤电厂的发电量是　已知的。煤炭中含有一定量的碳。而其中部分碳燃　烧后会生成ＣＯ　。　基于以上的说明本文设计了如图１所示的火　电厂碳排放模型。模型中设定电厂的发电量为输　入参数，碳排放的数据和与经济的关系作为模型　文中选取京津唐区域中部分燃煤电厂来定量　收稿日期：２０ｌ３—０８一Ｏ８　第一作者简介：白静洁，（１９８６出生）山西人，华北电力大学毕业，硕　士，现任北京科东电力控制系统有限责任公司工作，工程师，主要从　事电力调度控制系统的设计开发、能源一经济一环境协调关系的研　究。包括调度业务中工作流的设计，调度相关数据的交换整合，发电、　供电、能源一经济一环境等应用模型的研究。　第２７卷第６期　能源环境保护　・１７・　表１历年华北地区火电区域发电统计单位：万ｋｗｈ　注：２００６￣２００９年是实际数据，之后的是推测数据．实际数据均　来自历年统计年鉴　表２河北省百万以上发电厂发电■　发电厂　发电量／（万ｋＷｈ）　张冢口发电Ｊ（大盾）　１３１　国华定州发电有限公司　８６　河北国华沧东发电有限责任公司　９９　秦皇岛发电厂　８７　河北西柏坡发电有限责任公司　５９　衡水电厂　６４　邯郸发电厂▲　６８　河北大唐国际王滩发电有限责任公司　７Ｏ　西柏坡第二发电有限责任公司　６６　国电河北龙山发电有限责任公司▲　６６　三河发电有限责任公司▲　６９　华能上安电厂　１１８　徒河发电厂（大唐）８２　邢台发电厂▲　６３　２００９年河北省百万以上电厂发电量表▲标注为地图中无法显示出的电厂　根据之前总结的碳排放计算方法，分以下几　个步骤得出最终火电碳排放模型：京津唐目标区　域发电量整合、供电耗煤系数分析、煤的含碳量系　数分析、碳生成二氧化碳系数分析。　３．２．１京津唐目标区域发电量整合　（１）原理：依据研究对象的选取结果，京津唐　目标区域的总电量包括三大部分：北京全部火电　厂、天津全部火电厂、部分河北省火电厂。北京全　部火电厂和天津全部火电厂发电量是已知的，部　分河北省火电厂发电量则需要通过计算得出。我　们在河北省只选取１０个百万以上发电厂，根据河　北省百万以上发电厂与河北省总发电量的比例来　推出这１０个百万以上发电厂周围的所有电厂，以　此来求出京津唐目标区域中河北省发电厂的总电　量。求出京津唐目标区域中河北省发电厂的总电　量后．再加和北京与天津的火力总电量，就得出京　津唐目标区域的火力总电量。　（２１模型：　一　…　Ｓ，一Ｓ４　则：Ｓ４：＝Ｓ２ｘＳＪＳ１　（２）　式中：Ｓ　是河北省百万以上电厂发电总量，Ｓ：　是河北省总的火力发电量，Ｓ　是京津唐目标区域　河北省的百万以上电厂发电量，Ｓ　是京津唐目标　区域河北省总的火力发电量。　Ｓ＝Ｓ４＋Ｓ５＋Ｓ６　（３）　式中：Ｓ是京津唐目标区域总电量；Ｓ　是京津　唐目标区域河北省总的火力发电量；Ｓ　是北京总　火力发电量；Ｓ　是天津总火力发电量。　（３）实例计算：　根据２００９年数据：Ｓ　＝ｌ１２８万ｋＷｈ，￥２＝１７３３　万ｋＷｈ，￥３＝８６２万ｋＷｈ，￥５＝２４１万ｋＷｈ，￥６＝４１３万　ｋＷｈ　得出Ｓ　＝１３２４万ｋＷｈ，Ｓ＝１９７８万ｋＷｈ　３．２．２供电耗煤系数分析　（１）原理：供电煤耗（ｎｅｔ　ｃｏａｌ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｒａｔｅ）　又称为供电标准煤耗，是指火力发电企业每向外　提供ｌｋＷｈ电能所平均消耗的标准煤量，是国家　对火电厂的重要考核指标。发电煤耗（ｇｒｏｓｓ　ｃｏａｌ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｒａｔｅ）又称为发电标准煤耗，是指火力　发电企业每发１ｋＷｈ电能所平均消耗的标准煤量　嘲。发电煤耗不用考虑电力的传输损失，而供电煤　耗则要考虑到电力在变压远距离传输上的损耗，　因此本文选取的是供电耗煤指标。据电力行业主　要能耗指标，且据中国电力企业联合会数据，２００９　年１至１１月，全国平均供电煤耗３３９ｇ／ｋｗｈ。　（２）模型：　ａ＝／ｘ１ｘＳ　（４）　式中：ａ为耗煤量；／ｘ　为耗煤量系数；Ｓ为京　津唐目标区域总电量：　选取耗煤量系数区间为『Ｏ．３３５，０．４００］　（３）实例计算：　Ｓ＝１９７８万ｋＷｈ　则耗煤量区间［ａ１，ａ　２ｌ为：［６６２．６３ｘ１０４ｋｇ，７９１．２ｘ　１０４ｋｇ］　３．２．３煤的含碳量系数分析　（１）原理：煤主要由碳、硫、氧、氢、氮和磷等　元素组成，碳、氧、氢三者的总和约占有机质的　９５％以上，是非常重要的能源，也是化学、冶金工　业的重要原料，有烟煤、褐煤、无烟煤、半无烟煤这　・ｌ８・　白静洁等　京津唐区域火电厂碳排放模型的研究　四种分类。煤的种类不同，含碳量也就不同，产生的　ＣＯ　也就不一样。如泥炭中碳含量为５０％～６０％，　褐煤为６０％～７０％，烟煤为７４％～９２％，无烟煤为　９０％一９８％。一般电厂使用贫煤、烟煤、褐煤较多。　（２）模型：　ｂ＝ｐａｘａ　（５）　式中：ｂ为含碳量；为含碳量系数；ａ为耗煤量。　选取含碳量系数区间［５５％，９０％】　（３）实例计算：　耗煤量区间［ａ１，ａ２］为：［６６２．６３ｘ１０４ｋｇ，７９１．２ｘ　１０　ｋｇ】　则含碳量区间ｆｂ　，ｂ２］为：［３６４．４５　ｘｌＯａｋｇ，　７１２．０８ｘｌＯ４ｋｇ］　３．２．４碳生成二氧化碳系数分析　（１）原理：根据化学方程式：　Ｃ＋０２＝ＣＯ２　ｌ２　３２　４４　１　Ｘ　Ｘ＝４４／１２＝３．６７　（６）　理论上ｌｋｇ碳产生约３．６７ｋｇＣＯ：，但碳经过燃　烧所产生的物质有二氧化碳、一氧化碳、碳氢化合　物、煤灰等，实际产生二氧化碳排放量为２．５～３ｋｇ。　（２）模型：　Ｃ（ｋｇ）＝／ｚ３ｘｂ（ｋｇ）　（７）　式中：Ｃ为二氧化碳排放量；　为碳生成二氧　化碳系数；ｂ为含碳量。　选取碳生成二氧化碳系数区间［２．５，３．０］　（３）实例计算：　含碳量区间［ｂ１，ｂ２１为：［３６４．４５￣１０４ｋｇ，７１２．０８ｘ　１０４ｋｇ］　则二氧化碳排放量区间［Ｃ　，Ｃ２］为：［９１１．１２ｘ　１０４ｋｇ，２１３６．２４ｘｌＯ４ｋｇ］　３．３数据处理及模型产生　根据模型的建立过程，我们可以得到最终的　火电碳排放模型。　（１）原理：　Ｃ（ｋ　：／ｚ３ｘｂ（ｋｇ）＝／ｘ３ｘ／．￣ｘａ（ｋｇ）＝　３　＞　１ｘＳ　（ｋＷｈ）　（８）　式中：Ｃ为二氧化碳排放量；　为碳生成二氧　化碳系数；　为含碳量系数；　１为煤耗量系数；Ｓ　为京津唐目标区域总发电量。　（２）模型：　Ｃ（ｋｇ）＝／ｚ４ｘＳ　（９）　式中：Ｃ为二氧化碳排放量：／ｘ４为火电二氧化　碳排放系数；Ｓ为京津唐目标区域总发电量；即　４　３×　×／Ｚｌ　（１０）　（３）实例计算：由公式（１０）得出，火电二氧化　碳排放系数区间为：［０．４６，１．０８］，即发ｌｋｗｈ（１度）　电会产生二氧化碳０．４６～１．０８ｋｇ，也可写作４６０～　１０８０ｇ。　Ｓ＝１９７８万ｋＷｈ　则京津唐目标地区二氧化碳排放量区间【Ｃ。，　Ｃ２］为：［９０９．８８ｘｌＯ４ｋｇ，２１３６．２４ｘｌＯＮｇ】　３．４模型验证　根据《中国能源统计年鉴２００９）中记载电力　发电碳排放数据，见表３。可知本文研究得出的模　型结果：发ｌｋｗｈ（１度）电可产生二氧化碳４６０—　１０８０ｇ，符合２００５年一２００８年实际情况。　表３电力发电碳排放情况　３．５模型与经济发展的关系　经济发展迅速，该模型方法也是适应经济发　展变化的，但具体的参数会发生变化。以下根据模　型步骤分别进行论述。　３．５．１供电耗煤系数变化分析　供电耗煤系数会随经济发展、技术进步发生　变化。据十二五提出的电力行业目标，２０１５年火　电厂平均１ｋｗｈ（１度１消耗的供电煤耗由２０００年　的３９２ｇ标准煤降到了３３０ｇ标准煤，２０２０年将达　到３２０ｇ标准煤。即ｌｋｇ的标准煤可以发电３ｋｗｈ　（３度）。依据单一变量原则，我们分析供电煤耗系　数每下降Ｏ．Ｏｌｋｇ对最终火电二氧化碳排放系数　的影响，见表４。　表４供电耗煤系数影响　囊案曩０．４０ｏ　０．３９０　０．３８０　ｏ．３７０　０．３６０　ｏ．３５０　ｏ．３４ｏ　ｏ．３３０　０．３２ｏ　０．５５。。５３　０．５２２　０．５０　。４９５　０．４８　０４　０．４５３。。４４０　曩嫠盖１．０８０　１．０５３　１．０２６　０．９９９　０．９７２　０．９４５　ｏｌ９ｌ８０＿８９１０＿８６４　３．５．２煤的含碳量系数变化分析　不同种类的煤中含碳量是相对稳定的，因此　该步骤的参数不会变化。　第２７卷第６期　３．５．３碳生成二氧化碳系数变化分析　能源环境保护　・１９・　４燃煤电厂减少ＣＯ　排放优化方案　国际上二氧化碳减排方案主要有五种：一是　优化能源结构。开发核能、风能和太阳能等可再生　能源和新能源：二是提高植被面积，消除乱砍滥　伐．保护生态环境；三是从化石燃料的利用中捕获　二氧化碳并加以利用或封存：四是开发生物质能　源，大力发展低碳或无碳燃料；五是提高能源利用　提高燃煤电厂的技术及设施能让煤炭的燃烧　更充分，会产生更多的二氧化碳，因此该步骤的参　数会随着技术进步而发生变化。依据单一变量原　则，我们分析碳生成二氧化碳系数每上升０．１倍　对最终火电二氧化碳排放系数的影响。见表５。　表５碳生成二氧化碳系数影响　器一　效率和节能．包括开发清洁燃烧技术和燃烧设备　等。而火电厂二氧化碳的减排思路主要有：控制二　氧化碳的生成，即节能增效，发展核电和使用可再　生能源；直接从火电厂烟气中捕集ＣＯ　，将其永久　因此，模型的参数会随着技术进步而变化，下　封存或资源化。表６列出一些具体技术并加以评　价说明。　表６燃煤电厂减少ＣＯ　的排放措施及评价　一　面将论述减少二氧化碳排放的技术。　具体技术　原　理　在液化处理以Ｃ０　为主的烟气时，Ｓ０：同时被液化回收，可以省去烟气脱硫　设备；在Ｏ￣／ＣＯ　的气氛下，Ｎ０的生成也将会减少，如果再结合低Ｎ０的燃烧　技术，则有可能不用或少用脱硝设备。同时，采用该技术烟气量可以大大减　少（仅为传统方式的１／５１，排烟损失也将大幅度降低，电厂效率有显著提高　一一一一　评　价　……ｃ…一一这种技术可以用于燃烧烟气中ＣＯ　的分离，也可以用于气化过程　中来　中的Ｃ　分离，在处理过的尾部烟气中Ｃ０２含量很低，并且由于其　能耗低，吸收剂也较为经济．不需要对锅炉的尾部烟气进行升压或　降温处理等．因此有比较好的应用前景　这种技术可以提高能源的转换效率，获得较高的ＣＯ　减排效益，并　生物质共该技术可以将现有的燃煤电厂改造成生物质共燃电厂，实现　且投资费用和商业风险都普遍低于专门的生物质电厂．是一种非　燃技术对可再生能源的发电　常实用的碳减排技术　烟．垂囊橐　定排放源捕集到的二氧化碳集中输送到储存地点的　美　蓄　合用于大量分散的移动排放源，而只是适用　５总结与展望　京津唐目标区域火电碳排放模型是按步骤：　参考文献　【１］栾健，陈德珍．二氧化碳减排技术及趋势．能源研究与信息，　２００９．　京津唐目标区域发电量整合、供电耗煤系数分析、　煤的含碳量系数分析、碳生成二氧化碳系数分析，　得出最终碳排放模型：发ｌｋｗｈ（１度）电会产生二　氧化碳０．４６　１．０８ｋｇ．也可写作４６０～１０８０ｇ二氧化　［２］Ｅｎｅｒｇｙ　Ｗｈｉｔｅ　Ｐａｐｅｒ　Ｏｕｒ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｆｕｔｕｒｅ－Ｃｒｅａｔｉｎｇ　Ａ　ＬｏｗＣａｒｂｏｎ　Ｅｃｏｎｏｍｙ［Ｍ］．ＤＴＩ，ＵＫ．Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２００３．　［３］陈晓进．国外二氧化碳减排研究及对我国的启示．国际技术经　济研究，２００６，９（３）：２１—２５．　【４］赵玉文．太阳能技术对我国未来减排ＣＯ　的贡献．中国工程科　学，２００３，５（４）：３８—４０．　碳。通过该模型可以定量地分析燃煤电厂发电量　与所产生的ＣＯ　关系，并选取了京津唐部分电厂　为例，算出了研究区域燃煤电厂ＣＯ　的排放量。并　论述了该模型与经济发展，技术进步的关系。其中　重点论述了减少火电厂ＣＯ　排放量的措施。　［５］黄黎明，陈赓良．二氧化碳的回收利用与捕集储存．石油与天　然气化工。２００６．３５ｆ５）：３５４—３５８．　［６】ＣｕｒｔＭＷｈｉｔｅ，Ｂｒｉａｎ　Ｒ　Ｓｔｒａｚｉｓａｒ，Ｅｖａｎ　ＪＧｒａｎｉｔｅ，ｅｔａ１．Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄ　ｃａｐｔｕｒｅ　ｏｆＣｏ２ｆｒｏｍ　ｌａｒｇｅ　ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｇｅ—　ｏｌｏｇｉｃａｌ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ—ｃｏａｌ　ｂｅｄｓ　ａｎｄ　ｄｅｅｐ　ｓａｌｉｎｅ　ａｑｕｉｆｅｒｓ．Ａｉｒ＆Ｗａｓｔｅ　未来会加强对计算过程的理论研究，通过数　学分析、概率论分析、循环反馈、多因素分析等方法　对所选参数区间进行验证，以获得更精确的结果。　ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，２００３，５３（１０４７－３２８９）：６４５－７１５．