一种基于当日灰平衡法的发电企业煤燃烧碳排放因子测试方法
2017-09-03葛志松任庚坡上海交通大学上海市计量测试技术研究院上海市节能监察中心
葛志松 陈 琪 蔡 萍 任庚坡 上海交通大学 上海市计量测试技术研究院 上海市节能监察中心
一种基于当日灰平衡法的发电企业煤燃烧碳排放因子测试方法
葛志松1、2陈 琪2蔡 萍1任庚坡3
1 上海交通大学
2 上海市计量测试技术研究院
3 上海市节能监察中心
热、电生产行业中煤燃烧碳排放因子的测算有必要建立规范的抽样、测试及数据处理的方法。在对影响发电企业煤燃烧碳排放因子的关键参数进行分析的基础上，参照GB/T 10184-2015《电站锅炉性能试验规程》，基于当日灰平衡法对燃煤机组的碳氧化率进行了计算，提出了一种新的煤燃烧碳排放因子关键参数的测试流程和计算方法。
碳排放因子 发电企业 灰平衡法
建立碳排放交易体系的主要参数有两个，一是能源活动水平数据，如燃料的消耗量（按低位热值折标煤）等；二是温室气体的排放因子，尤其是在化石燃料燃烧过程中，常常用被消耗燃料的单位热值产生的CO2量来表示，其计量单位通常采用tCO2/GJ。其中，能源活动水平数据相对容易获得，而碳排放因子随行业、用能设备、用能水平的不同，其测试方法也存在较大的差异，如何获得各种条件下较为准确的、可以反映区域排放平均水平的碳排放因子是建立碳排放交易体系必须面对的一个问题。
根据《IPCC 2006温室气体清单指南》中的数据，在发达国家，电力和热能生产所导致的温室气体排放量约占总排放量的25%左右，是温室气体排放清单中最重要的组成部分。据此，有必要对热、电生产行业中煤燃烧碳排放因子的抽样、测试及数据处理的方法进行研究和统一，逐步完善碳排放核算体系，支撑碳排放交易市场有序发展。
1 国内外现状
目前国际和国内采用的碳排放因子数据，绝大多数仍然来源于《IPCC 2006温室气体清单指南》。在《中国温室气体清单研究》中指出该指南是以发达国家的技术水平为基准获得的排放数据，与我国实际情况存在一定差异。近年来，国内也逐步组织力量对IPCC的缺省值进行修正和更新。2004年中国完成了首次《国家信息通报》，其中对于1994年中国碳排放量进行了初步统计。在此次统计中，坚持遵循了IPCC方法，并尽可能采用国内官方的统计数据，对《IPCC清单指南》中推荐的默认排放因子根据我国实际情况进行了部分修正。根据国家发改委能源研究所的报告，此次统计仍然存在较大的不确定性，主要是数据统计基础比较薄弱造成统计数据的获得有很大困难，以及由于资金、时间等客观原因造成观测的时间尺度、观测点和抽样点代表性不够充分，排放因子和排放量的测算有较大的不确定性。
2010年中国开始准备编制第2次《国家信息通报》。为了降低统计的不确定性，2011年5月我国发布了《省级温室气体清单编制指南》，要求各省参考该指南编制省级气体清单。该清单指出，各种燃料品种的单位发热量和含碳量，各种燃料主要燃烧设备的碳氧化率，以及移动源主要燃烧设备的甲烷和氧化亚氮的排放因子原则上需要通过实际测试获得，以便正确反映当地燃烧设备的技术水平和排放特点。如当地数据无法获得，建议采用该清单推荐的化石燃料燃烧温室气体排放因子或利用IPCC国家温室气体清单指南推荐的缺省排放因子。
2012年12月，上海市发布了《上海市温室气体排放核算与报告指南（试行）》，该方法只针对本市的CO2气体排放，其他的5种温室气体暂时未纳入该指南范围。该办法中，基于《中国温室气体清单研究》和《IPCC2006国家温室气体清单指南》，提供了能源活动中排放因子的缺省值。对于本市的碳排放因子，该方法中鼓励“排放主体对相关参数进行检测，检测方法和结果经主管部门认可后，可直接作为相关参数的数据值。”
2 关键参数
燃煤燃烧时的碳排放因子的基本计算公式如下。
式中：EF——煤燃烧时的CO2排放因子，tCO2/ GJ；CC煤——煤燃烧时的单位热值含碳量，tC/ GJ；OF煤——煤燃烧时的碳氧化率，%。
其中，单位热值含碳量CC煤主要是燃煤低位热值NCV煤日和燃煤含碳量Car的函数，碳氧化率OF煤主要是燃煤含碳量、燃煤灰分Aar、飞灰含碳量C灰、炉渣含碳量C渣的函数。在常规的算法里，碳氧化率OF煤的计算还需采集炉渣产量、飞灰产量和除尘效率，其中炉渣、飞灰的产量原则上可通过称量的方式获取，如有特殊原因不能获取称量值的，可按照DL/T 5142《火力发电厂除灰设计规程》中的估算方法进行估算，采用估算值时，除尘系统效率取100%。炉渣和飞灰的含碳量根据该月中每次样本检测值取算术平均值，且每月的检测次数不低于1次。飞灰和炉渣样本的检测需遵循DL/T 567.6《飞灰和炉渣可燃物测定方法》的要求。如果在计算燃煤机组碳氧化率时，部分测量值无法通过测试的方法获得，则取碳氧化率的缺省值98%。
在国家发改委发布的《中国发电企业温室气体排放核算方法与报告指南》（试行）中，提出的燃煤低位发热值的测量方法和实验室及设备仪器标准应遵循GB/T 213《煤的发热量测定方法》中的相关规定，频率为每天至少一次。燃煤年平均低位发热值由日平均低位热值加权平均计算得到，其权重是燃煤日消耗量。这里面存在几处不明确的地方，例如未明确进行发热量测试的燃煤的抽样位置，未明确被测试的样品是燃煤的收到基还是空气干燥基，未明确在燃煤使用过程中发生煤种更换的处理方法等。
在2015年发布的GB/T 32151.1《温室气体排放核算与报告要求 第一部分：发电企业》中，基本上沿用了这个测试方法，但是在排放因子数据获取的章节，又提出对于燃煤的单位热值含碳量，企业应每天采集入炉煤的缩分样品，每月的最后一天将该月的每天获得的缩分样品混合，测量其元素碳含量与低位发热量，入炉煤的缩分样品的制备应符合GB 474的要求。燃煤元素碳含量的具体测量标准应符合GB/T 476要求，燃煤低位发热量的具体测量标准应符合GB/T 213要求。上一个测试方法中不明确的问题，在新版的标准中仍然没有明确，又引入了新的问题，即未明确燃煤年平均低位发热值到底是由日平均低位发热值加权平均计算得到，还是由月平均低位发热值加权平均得到。
3 测量流程设计
为了统一测量流程，明确燃煤、飞灰、炉渣的取样和测试方法，明确燃煤使用过程中发生煤种更换的处理方法，将测量的流程设计如下。
3.1 煤的低位热值检测
3.1.1 采样制样
燃煤的采样制样应遵循GB 474《煤样的制备方法》，以入炉煤为对象进行制备，每天按班组至少进行2次采样，当天采样完毕后，将该日所有缩分样品混合作为当日制得煤样进行检测分析。
如果在同一天发生燃煤更换批次的情况，则每个批次入炉煤至少要进行一次采样制样，前后不同批次的燃煤缩分样品不进行混合，分别作为当日制得煤样进行检测分析。
3.1.2 检测过程
检测应遵循GB/T 213《煤的发热量测定方法》，以入炉煤缩分样品收到基为检测基准，检测得到当日燃煤低位热值NCV煤日。
如果在同一天发生燃煤更换批次的情况，对前后不同批次的燃煤缩分样品的收到基为检测基准均进行检测，得到两个批次燃煤低位热值NCV煤日1和NCV煤日2。
3.1.3 计算方法
通常情况下，取当日燃煤低位热值NCV煤日作为日碳排放因子的计算依据。
如果在同一天发生燃煤更换批次的情况，对两个批次燃煤低位热值NCV煤日1和NCV煤日2取平均得到当日燃煤低位热值NCV煤日，作为日排放因子的计算依据。
3.2 煤的含碳量检测
3.2.1 采样制样
同3.1.1。
3.2.2 检测过程
检测应遵循GB/T 476《煤中碳和氢的测定方法》，以入炉煤缩分样品收到基为检测基准，检测得到当日燃煤含碳量Car日。
如果在同一天发生燃煤更换批次的情况，对前后不同批次的燃煤缩分样品的收到基为检测基准均进行检测，得到两个批次燃煤含碳量Car1日和。
3.2.3 计算方法
通常情况下，取当日燃煤含碳量Car日作为日碳排放因子的计算依据。
如果在同一天发生燃煤更换批次的情况，对两个批次燃煤含碳量Car1日和Car2日取平均得到当日燃煤含碳量Car日，作为日排放因子的计算依据。
3.3 煤的灰分检测
3.3.1 采样制样
同3.1.1。
3.3.2 检测过程
检测应遵循GB/T 212《煤的工业分析方法》，以入炉煤缩分样品收到基为检测基准，检测得到当日燃煤灰分Aar日。
如果在同一天发生燃煤更换批次的情况，对前后不同批次的燃煤缩分样品的收到基为检测基准均进行检测，得到两个批次燃煤灰分Aar1日和。
3.3.3 计算方法
通常情况下，取当日燃煤灰分Aar日作为日碳排放因子的计算依据。
如果在同一天发生燃煤更换批次的情况，对两个批次燃煤灰分Aar1日和Aar2日取平均得到当日燃煤灰分Aar日，作为日排放因子的计算依据。
3.4 飞灰和炉渣的含碳量检测
3.4.1 采样制样
飞灰和炉渣的采样应遵循DL/T 567.3《飞灰和炉渣样品的采集》，每天至少进行1次采样，并遵循DL/T 567.4《入炉煤、入炉煤粉、飞灰和炉渣样品的制备》进行制样，当天采样制样完毕后，将该日所有缩分样品混合作为当日制得样品进行检测分析。
如果在同一天发生燃煤更换批次的情况，则相对于每个批次入炉煤至少要进行一次飞灰和炉渣的采样和制样，前后不同批次的燃煤对应的飞灰和炉渣的缩分样品不进行混合，分别作为当日制得样品进行检测分析。
3.4.2 检测过程
检测应遵循DL/T 567.6《飞灰和炉渣可燃物测定方法》，以飞灰和炉渣的缩分样品空气干燥基为检测基准，检测得到当日飞灰和炉渣的含碳量
C灰日和C渣日。
如果在同一天发生燃煤更换批次时，以前后不同批次燃煤相对应的飞灰和炉渣缩分样品的空气干燥基为检测基准进行检测，得到两个批次的飞灰和炉渣含碳量C灰1日、C渣1日和C灰2日、C渣2日。
3.4.3 计算方法
通常情况下，取当日飞灰和炉渣的含碳量C灰日和C渣日作为日碳排放因子的计算依据。
如果在同一天发生燃煤更换批次的情况，对两批次的飞灰和炉渣含碳量C灰1日、C渣1日和C灰2日、C渣2日取平均得到当日飞灰和炉渣的含碳量C灰日和C渣日，作为日排放因子的计算依据。
4 基于单日灰平衡的算法设计
在按照上述测量方法获得单日的燃煤低位发热量NCV煤日、燃煤含碳量Car日、燃煤灰分Aar日、飞灰含碳量C灰日、炉渣含碳量C渣日之后，参考GB/T 10184《电站锅炉性能试验规程》，当日的各个关键参数以每千克燃料量收到基为基础进行计算。
当日煤燃烧的单位热值含碳量CC煤日按照下式进行计算：
式中：CC煤日——当日燃煤应用基的单位热值含碳量，tC/GJ；NCV煤日——当日燃煤应用基的低位发热量，GJ/t；Car日——当日燃煤应用基的元素含碳量，%。
计算燃煤机组的碳氧化率OF煤日时，采用基于当日每千克燃料量的灰平衡方法，从燃煤中的灰分与飞灰、炉渣的物料平衡角度，按照式（3）进行计算。式中：OF煤日——当日煤燃烧时的碳氧化率，%；Aar日——当日燃煤应用基灰分质量含量，%；alz——当日炉渣占整个灰分质量含量，%；afh——当日飞灰占整个灰分质量含量，%；C渣日——当日炉渣的元素含碳量，%；C灰日——当日飞灰的元素含碳量，%；其中，alz和afh可以根据燃煤锅炉的燃烧方式与炉膛形式，从GB 10184-2015中附录D里查灰、渣比例表获得。
则每日煤燃烧时的CO2排放因子计算可以参考公式（1），计算如下：
式中：EF日——当日煤燃烧时的CO2排放因子，tCO2/GJ。
则一段时间内（nd）的煤燃烧时的CO2排放因子可以由每日煤燃烧时的CO2排放因子算术平均得到，计算如下：
5 结语
本文在对影响发电企业煤燃烧碳排放因子的关键参数进行分析的基础上，参照GB/T 10184-2015《电站锅炉性能试验规程》，提出了一种规范的热、电生产行业中煤燃烧碳排放因子的抽样、测试及数据处理的方法和流程，基于当日灰平衡法对燃煤机组的碳氧化率计算公式进行了修正，提出了一种新的煤燃烧碳排放因子计算方法，该计算方法仍需在后期的实践过程中加以检验和完善。
[1] 魏丹青，赵建安，金迁致. 水泥生产碳排放测算的国内外方法比较及借鉴[J]. 资源科学，2012，34（6）：1152-1159.
[2] 汪澜. 水泥生产CO2排放量计算方法及评述[J]. 中国水泥，2011，（8）：52-55.
[3] 何秋生. 我国炼焦生产过程排放的颗粒物和挥发有机物的组成特征、排放因子及排放量初步估计[ D ]. 广州: 中国科学院广州地球化学研究所, 2006: 1-5.
[4] 刘焕章, 常太华, 刘吉臻, 等. 电站锅炉温室气体排放量的计算[J] . 热能动力工程, 2007, 22( 6 ) : 665-668.
[5] 陈鹏. 中国煤炭性质、分类和利用[M ] . 2 版. 北京: 化学工业出版社, 2007: 36-39.
节能信息与动态
徐汇区强化政策导向推进节能减排工作
近年来，徐汇区商务委采取措施，大力推进节能减排工作：（1）加大政策引导。修订完善《徐汇区节能降耗专项资金管理办法》，加大对节能技术改造、推广交通节能降耗、清洁生产等专项节能降耗扶持力度，计划投入2400万元用于既有建筑能耗监测平台运行。（2）聚焦重点区域项目。积极推进漕开发104工业区管理节能，建设园区楼宇能耗监测平台，强化用能管理，推进能源管控中心等基础设施建设。（3）加强宣传动员。推进上海体育场、恒隆港汇、光启城等大型商务楼宇节能降耗，力争“十三五”期间楼宇能耗水平每年下降1%。
（区商委）
美研制成功CIGS柔性太阳能电池
最近，美国洛杉矶新创公司（Sunflare）研制成功了柔性太阳能电池。该电池使用由铜（Cu）、铟（In）、镓（Ga）、硒（Se）四种元素构成最佳比例的黄铜矿结晶薄膜，可伸缩、弯曲、扭转、挤压变形而不失去性能。电池无比柔软，携带时可像墙纸一样卷起来，贴附于任何物体的表面，很适合农村地区和便携式项目。该电池具有光吸收能力强、发电稳定性好、转化效率高、白天发电时间长、发电量高、生产成本低及能源回收周期短等诸多优势，较传统太阳能电池轻65%，发电效率则要高出10%，发电成本仅为1.07美元/瓦。
（李忠东 译）
Coal-Fired Carbon Emission Factor Test Method of Power Generation Enterprises Based on Same Day Grey Balance Method
Ge Zhisong, Chen Qi, Cai Ping, Ren Gengpo
Shanghai Jiaotong University
Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology
Shanghai Energy Saving Supervision Center
It’s necessary to build up standard sampling, testing and data processing method for measuring heat and electricity producing industry coal fired carbon emission factor. The article carries out analysis on key parameters of influencing power generation enterprises coal fired carbon emission factor according to GB/T 10184-2015
b
rand new testing process and calculation method of coal fired carbon emission factor key parameter.
Carbon Emission Factor, Power Generation Enterprises, Grey Balance Method
10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.08.009
