面向靈活性發(fā)電的燃煤機(jī)組大氣排放特性分析

董玉亮，袁家海，馬麗榮

（1．華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京市 昌平區(qū) 102206；2．華北電力大學(xué)新能源和低碳發(fā)展北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市 昌平區(qū) 102206；3．大唐河北馬頭熱電分公司，河北省 邯鄲市 0 56044）

0 引言

多類(lèi)型電源互補(bǔ)可在很大程度上平抑新能源電力的強(qiáng)隨機(jī)波動(dòng)性，有利于實(shí)現(xiàn)新能源的大規(guī)模并網(wǎng)。在我國(guó)電源布局中，具備快速負(fù)荷響應(yīng)能力的水電和燃?xì)?油機(jī)組裝機(jī)份額較少，在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將以燃煤機(jī)組調(diào)峰為主[1-2]。燃煤機(jī)組運(yùn)行靈活性指機(jī)組快速變負(fù)荷能力、快速啟動(dòng)能力和深度調(diào)峰能力，通常用升降負(fù)荷率、啟動(dòng)時(shí)間和最低運(yùn)行負(fù)荷3個(gè)指標(biāo)衡量[3]。隨著新能源電力在電網(wǎng)中占比的不斷擴(kuò)大，對(duì)燃煤機(jī)組運(yùn)行靈活性提出了更高的要求。

當(dāng)前對(duì)燃煤機(jī)組靈活性的研究主要集中在保證安全運(yùn)行的前提下提升靈活運(yùn)行能力方面，包括靈活性調(diào)峰技術(shù)[4]、深度調(diào)峰技術(shù)[5]和供熱機(jī)組的熱電解耦技術(shù)[6-7]，而對(duì)機(jī)組靈活運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和污染物排放特性研究較少。相關(guān)研究有卡耐基梅隆大學(xué)關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)大氣排放特性分析[8]，美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室的西部風(fēng)能、太陽(yáng)能集成研究報(bào)告[9]和德國(guó)各類(lèi)火電機(jī)組的排放特性比較[10]。以上研究都是針對(duì)國(guó)外火電機(jī)組，專(zhuān)門(mén)針對(duì)國(guó)內(nèi)燃煤機(jī)組面向靈活性運(yùn)行的大氣排放特性研究鮮有報(bào)道，而國(guó)內(nèi)燃煤機(jī)組在燃料、燃燒設(shè)備、污染物控制裝置等方面和國(guó)外機(jī)組存在差異，這些因素將影響到燃煤機(jī)組的大氣排放特性。因此，研究國(guó)內(nèi)有代表性燃煤機(jī)組的大氣排放特性，準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電替代煤電的效果，對(duì)完善燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行調(diào)度優(yōu)化和相關(guān)補(bǔ)貼政策制定具有重要意義。

1 大氣排放物生成機(jī)制及排放因子

1.1 燃煤機(jī)組CO2生成機(jī)制及排放因子計(jì)算方法

燃煤機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中直接排放的CO2主要包括煤炭燃燒釋放的 CO2和脫硫過(guò)程中產(chǎn)生的CO2。影響燃煤電廠 CO2排放量的因素主要有供電煤耗、脫硫劑、廠用電率和煤炭品質(zhì)。

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(intergovernmental panel on climate change，IPCC)提供了計(jì)算碳排放量的方法，即能源消耗量乘以能源消耗產(chǎn)生的 CO2的系數(shù)最終得出總排放量[11]。此方法適用于一個(gè)國(guó)家宏觀排放量統(tǒng)計(jì)計(jì)算，對(duì)于一個(gè)火電機(jī)組而言需要考慮更詳細(xì)因素。歐洲環(huán)境署通過(guò)監(jiān)測(cè)火電項(xiàng)目廢氣排放量及排放密度，最終得到電廠CO2的排放量數(shù)據(jù)[12]，該方法需要電廠擁有完善的煙氣監(jiān)測(cè)設(shè)備，成本較高。

本文利用燃煤電廠現(xiàn)有的運(yùn)行數(shù)據(jù)(供電煤耗、標(biāo)態(tài)干煙氣排放量、原/凈煙氣 SO2濃度)，分別計(jì)算出燃燒過(guò)程和濕法脫硫過(guò)程產(chǎn)生的CO2排放因子，合并得到總的CO2排放因子。

1）煤炭燃燒產(chǎn)生的CO2。

在獲得供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗數(shù)據(jù)的情況下，可以用下面的公式計(jì)算燃燒對(duì)應(yīng)CO2排放因子：

式中：EIrC為燃燒過(guò)程CO2排放因子，g/(kW·h)；為機(jī)組供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，g/(kW·h)；Qn為標(biāo)準(zhǔn)低位發(fā)熱量，29 270 kJ/kg；I為《2006 IPCC指南》中提供的碳排放系數(shù)，煙煤取94 600。

2）濕法脫硫產(chǎn)生的CO2。

利用式(2)、(3)計(jì)算濕法脫硫?qū)?yīng)的CO2排放因子：

式中：EISC為濕法脫硫產(chǎn)生的 CO2排放因子，g/(kW·h)；理論石灰石耗量，g/h； Pel為機(jī)組電功率，kW；Qsnd為標(biāo)態(tài)下干煙氣排放量，m3/h； CS1， CS2分別表示原煙氣SO2濃度和凈煙氣 SO2濃度，mg/m3；Fr為石灰石純度，%；St為設(shè)計(jì)鈣硫比，此處取1.03。

1.2 大氣污染物排放因子計(jì)算方法

1.2.1 NOx排放因子

在安裝煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的條件下，凈煙氣NOx排放因子可以按以下公式計(jì)算：

1.2.2 SO2排放因子

影響SO2生成的主要因素有煤質(zhì)、燃燒方式、單機(jī)容量、負(fù)荷等因素。相對(duì)于SO2的生成機(jī)制和影響因素，從工程角度控制火電廠SO2排放的方法主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)為燃燒中脫硫技術(shù)，在燃燒過(guò)程中控制SO2的生成量；另一類(lèi)是煙氣脫硫技術(shù)，從煙氣中脫除生成的 SO2，我國(guó)燃煤電廠最常用的技術(shù)為石灰石總體濕法脫硫技術(shù)。

凈煙氣SO2排放因子為

式中：2ISOE 為SO2排放因子，g/(kW·h)；2SOC 為凈煙氣SO2濃度，mg/m3。

1.2.3 粉塵排放因子

影響粉塵生成量的因素主要有爐型、煤質(zhì)、負(fù)荷等因素，電廠主要采用有靜電除塵技術(shù)及在其基礎(chǔ)上的提效改造技術(shù)，如電袋復(fù)合除塵技術(shù)、濕式電除塵技術(shù)等。

凈煙氣粉塵排放因子可以按以下公式計(jì)算：

式中： EIDust為粉塵排放因子，g/(kW·h)； CDust為凈煙氣粉塵濃度，mg/m3。

2 機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析方法

2.1 機(jī)組及運(yùn)行數(shù)據(jù)概況

隨著我國(guó)燃煤機(jī)組的大型化和可再生能源電力的大量并網(wǎng)，300 MW等級(jí)和600 MW等級(jí)的燃煤機(jī)組成為調(diào)峰主力。本文分別以具有調(diào)峰代表性的亞臨界300 MW和600 MW機(jī)組來(lái)分析其參與靈活性運(yùn)行的大氣排放特性。2臺(tái)機(jī)組均安裝SCR脫硝裝置，分別采用石灰石-石膏濕法脫硫裝置和濕式電除塵器脫除SO2和煙塵。

分別從2臺(tái)機(jī)組的SIS系統(tǒng)獲得運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，包括負(fù)荷、供電煤耗、原(凈)煙氣污染物濃度、煙氣量等。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到1 min間隔時(shí)間序列。所取數(shù)據(jù)包含了啟動(dòng)階段、深度調(diào)峰(30%～50%額定負(fù)荷)和正常調(diào)峰(50%～100%)的全工況數(shù)據(jù)。2臺(tái)機(jī)組所取數(shù)據(jù)的功率時(shí)間序列如圖1所示。

從圖1看出，在啟動(dòng)過(guò)程2臺(tái)機(jī)組從帶負(fù)荷到50%負(fù)荷的升負(fù)荷曲線相似，大約都需要200 min。在正常運(yùn)行工況下該 300 MW 機(jī)組大幅度調(diào)峰的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于600 MW機(jī)組。

圖1 機(jī)組負(fù)荷曲線Fig. 1 Lo ad curve

2.2 基于最小二乘法的數(shù)據(jù)分析方法

為獲得機(jī)組各大氣排放因子與機(jī)組負(fù)荷的關(guān)系，本文采用基于最小二乘的回歸分析方法。

已知若干組歷史數(shù)據(jù)xi，yi(i=0,1,2,…,n)的值，用一個(gè)通常的m(＜n)次多項(xiàng)式：

來(lái)近似它。

按最小二乘法，有如下公式：

由 xi, yi(i=0,1,2,…,n)，計(jì)算出系數(shù) ai( i =0,1,…,m)得到最小二乘法所確定的表達(dá)式。

3 大氣排放特性分析

3.1 CO2排放特性

利用公式(1)和(2)計(jì)算出2臺(tái)機(jī)組各自的CO2總排放因子，如圖2所示。

從圖2可以看出，2臺(tái)機(jī)組CO2排放因子隨負(fù)荷的變化規(guī)律基本和供電煤耗隨負(fù)荷的變化規(guī)律一致。這主要是由于脫硫產(chǎn)生CO2的排放量相對(duì)于燃燒過(guò)程產(chǎn)生 CO2量非常小，因而對(duì) CO2排放因子變化規(guī)律的影響也很小。

圖2 機(jī)組CO2排放因子分布及擬合曲線Fig. 2 Distribution and fitted curve ofCO2 emissions factor

總體而言，相同負(fù)荷率下亞臨界300 MW機(jī)組的 CO2排放因子大于 600 MW 機(jī)組的排放因子，因此從減小碳排放的角度應(yīng)盡量由 600 MW機(jī)組多帶負(fù)荷。另外，機(jī)組參與深度調(diào)峰時(shí)，隨著負(fù)荷率減小，CO2排放因子迅速增大。因此，當(dāng)大量風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電接入電網(wǎng)引起部分機(jī)組深度調(diào)峰情況下，計(jì)算可再生能源產(chǎn)生的CO2減排量時(shí)，應(yīng)考慮燃煤機(jī)組深度調(diào)峰引起的單位供電量CO2排放量的增加。2臺(tái)機(jī)組不同負(fù)荷率下CO2排放因子的回歸預(yù)測(cè)值見(jiàn)表1。

表1 機(jī)組供電煤耗和CO2排放因子預(yù)測(cè)值Tab. 1 Predicted values of net coal consumption rate and CO2 emission factor

3.2 污染物排放特性

3.2.1 凈煙氣污染物排放因子

圖3—5分別給出2臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)階段和運(yùn)行調(diào)峰階段凈煙氣的污染物排放因子隨負(fù)荷的變化關(guān)系?？梢钥闯?臺(tái)機(jī)組的污染物排放因子隨負(fù)荷變化規(guī)律總體趨勢(shì)一致。

調(diào)峰運(yùn)行階段，典型負(fù)荷率下凈煙氣污染物排放因子回歸預(yù)測(cè)值見(jiàn)表2。

可以看出該300 MW和600 MW機(jī)組35%負(fù)荷時(shí)凈煙氣 NOx排放因子比 100%負(fù)荷時(shí)分別升高約10%和100%，且分別在85%負(fù)荷和65%負(fù)荷達(dá)到最低值。SO2排放因子隨負(fù)荷降低略有下降；2臺(tái)機(jī)組35%負(fù)荷時(shí)凈煙氣粉塵排放因子比100%負(fù)荷時(shí)分別升高約55%和40%。

圖3 啟動(dòng)和調(diào)峰運(yùn)行階段凈煙氣NOx排放因子Fig. 3 Clean flue gas NOx emissions factor for start-up and peak load regulation

圖4 啟動(dòng)和調(diào)峰運(yùn)行階段凈煙氣SO2排放因子Fig. 4 Clean flue gas SO2 emissions factor for start-up and peak load regulation

圖5 啟動(dòng)和調(diào)峰運(yùn)行階段凈煙氣粉塵排放因子Fig. 5 Clean flue gas dust emissions factor for start-up and peak load regulation

冷態(tài)啟動(dòng)階段的污染物排放量較大，一方面點(diǎn)火至并網(wǎng)階段燃料燃燒產(chǎn)生污染物，但不能發(fā)電；另一方面低負(fù)荷階段污染物脫除裝置(如脫硝裝置、電除塵裝置)不能很好投入，導(dǎo)致煙氣排放污染物濃度較大。從圖3—5可以看出，凈煙氣NOx和粉塵排放因子都遠(yuǎn)大于調(diào)峰運(yùn)行階段的排放因子，而SO2排放因子較調(diào)峰運(yùn)行階段則小一些。表3給出整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程污染物排放累計(jì)值。

表2 調(diào)峰運(yùn)行階段不同負(fù)荷率下機(jī)組污染物排放因子預(yù)測(cè)值Tab. 2 Predicted values of pollutant emission factor under different load rates

可以看出，NOx排放量大致和文獻(xiàn)[9]一致，300 MW 機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程排放量大約為機(jī)組額定工況下運(yùn)行8 h的排放量，而600 MW機(jī)組則可達(dá)到額定工況運(yùn)行13 h的排放量。SO2的排放量則和文獻(xiàn)[9]給出值相差較大，主要是本例中2臺(tái)機(jī)組都采用了高效的全工況脫硫裝置，啟動(dòng)過(guò)程排放量大約為額定工況運(yùn)行1.5 h的排放量。而粉塵排放量則大約為額定工況運(yùn)行42 min的排放量。

因此，當(dāng)機(jī)組參與深度調(diào)峰時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮低負(fù)荷下NOx和粉塵排放因子增大的效應(yīng)；當(dāng)機(jī)組參與啟停調(diào)峰時(shí)，應(yīng)該重點(diǎn)考慮啟動(dòng)過(guò)程N(yùn)Ox排放量對(duì)大量可再生能源接入產(chǎn)生減排效應(yīng)的影響。

3.2.2 升降負(fù)荷率對(duì)原、凈煙氣排放因子的影響

機(jī)組靈活性運(yùn)行一方面體現(xiàn)在調(diào)峰的深度(即能達(dá)到的最低負(fù)荷)上，另一方面則體現(xiàn)在機(jī)組的啟動(dòng)速度和調(diào)峰運(yùn)行的負(fù)荷變化率上。因此很有必要分析機(jī)組不同升降負(fù)荷率對(duì)原煙氣和凈煙氣污染物排放因子的影響。

1）啟動(dòng)階段。

圖6 啟動(dòng)階段NOx排放因子與負(fù)荷及升降負(fù)荷率的關(guān)系Fig. 6 Relationship between NOx emissions factor, load and ramp rate during start-up

圖7 啟動(dòng)階段SO2排放因子與負(fù)荷及升降負(fù)荷率的關(guān)系Fig. 7 Relationship between SO2 emissions factor, load and ramp rate during start-up

圖8 啟動(dòng)階段粉塵排放因子與負(fù)荷及升降負(fù)荷率的關(guān)系Fig. 8 Relationship between dust emissions factor, load and ramp rate during start-up

以600 MW機(jī)組為例，如圖6—8繪制出了啟動(dòng)過(guò)程機(jī)組功率、負(fù)荷變化率和污染物排放因子之間的關(guān)系。

可以看出，在啟動(dòng)階段機(jī)組負(fù)荷率控制在±4 MW/min范圍內(nèi)。凈煙氣NOx排放因子隨著負(fù)荷的升高，先升高后下降，原煙氣NOx排放因子則隨著負(fù)荷的升高而下降，但在相同的負(fù)荷下NOx排放因子受升降負(fù)荷率變化的影響很小。凈煙氣SO2排放因子隨負(fù)荷的升高，先升高后降低，原煙氣SO2排放因子隨負(fù)荷升高，先降低后升高。同樣，相同負(fù)荷下SO2排放因子受升降負(fù)荷率變化的影響也很小。凈煙氣、原煙氣的粉塵排放因子都隨負(fù)荷的增加而減小，而且相同負(fù)荷下，基本不隨升降負(fù)荷率的變化而變化。

2）正常調(diào)峰運(yùn)行。

圖9—11繪制出了調(diào)峰運(yùn)行過(guò)程機(jī)組功率、負(fù)荷變化率和污染物排放因子之間的關(guān)系。

可以看出，在正常調(diào)峰運(yùn)行階段該 600 MW機(jī)組負(fù)荷率控制在±20 MW/min范圍內(nèi)。

凈煙氣、原煙氣NOx排放因子隨著負(fù)荷的降低而升高；相同負(fù)荷下，原煙氣NOx排放因子隨著升降負(fù)荷率的增大而增大，但凈煙氣NOx排放因子受升降負(fù)荷率變化的影響很小。

圖9 調(diào)峰運(yùn)行NOx排放因子與負(fù)荷及升降負(fù)荷率的關(guān)系Fig. 9 Relationship between NOx emissions factor, load and ramp rate during peak load regulation

圖10 調(diào)峰運(yùn)行SO2排放因子與負(fù)荷及升降負(fù)荷率的關(guān)系Fig. 10 Relationship between SO2 emissions factor, load and ramp rate during peak load regulation

圖11 調(diào)峰運(yùn)行粉塵排放因子與負(fù)荷及升降負(fù)荷率的關(guān)系Fig. 11 Relationship between dust emissions factor,load and ramp rate during peak load regulation

凈煙氣SO2排放因子隨負(fù)荷的降低而減小，而原煙氣SO2排放因子隨負(fù)荷的降低，先減小后增大。在相同的負(fù)荷下，較高升降負(fù)荷率引起凈煙氣SO2排放因子減小，但卻使原煙氣SO2排放因子增大。

凈煙氣、原煙氣的粉塵排放因子都隨負(fù)荷的降低先減小后增大；在相同負(fù)荷下，較高的升降負(fù)荷率對(duì)原煙氣粉塵排放因子影響不大，但使得凈煙氣粉塵排放因子增大。

4 結(jié)論

采用燃煤電廠運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)分析了機(jī)組以啟停調(diào)峰、正常運(yùn)行調(diào)峰和深度調(diào)峰3種方式參與靈活性運(yùn)行時(shí)對(duì)CO2、NOx、SO2和粉塵大氣排放因子的影響。研究結(jié)果對(duì)分析我國(guó)大量可再生能源(風(fēng)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電)接入后，燃煤機(jī)組深度調(diào)峰產(chǎn)生的溫室氣體(CO2)減排效應(yīng)、污染物(NOx、SO2、粉塵)減排效應(yīng)以及燃煤機(jī)組深度調(diào)峰成本計(jì)算具有重要意義。在計(jì)算溫室氣體減排效應(yīng)時(shí)，應(yīng)考慮風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電接入電網(wǎng)導(dǎo)致燃煤機(jī)組深度調(diào)峰引起CO2排放因子的增加；在計(jì)算污染物減排效應(yīng)時(shí)，應(yīng)考慮燃煤機(jī)組啟停調(diào)峰和深度調(diào)峰引起的 NOx和粉塵排放因子的升高；在分析燃煤電廠供電成本時(shí)應(yīng)考慮深度調(diào)峰和啟停調(diào)峰導(dǎo)致原煙氣NOx和粉塵排放濃度升高而引起脫硝和除塵費(fèi)用的增加，同時(shí)還應(yīng)考慮深度調(diào)峰較高負(fù)荷變化率導(dǎo)致的原煙氣 NOx、SO2排放因子增大而引起脫硝、脫硫費(fèi)用的增加。