大型燃煤电站锅炉碳氧化率试验研究

项群扬，郎 宁，蔡 毅，周 洁



大型燃煤电站锅炉碳氧化率试验研究

项群扬1,2，郎 宁2，蔡 毅1,2，周 洁1,2

（1.浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术研究重点实验室，浙江 杭州 311121；2.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 311121）

国标GB/T 32151.1—2015是目前发电行业核算CO2排放量，并编制企业温室气体排放报告的参考标准。依据该标准规定的CO2排放量核算方法，碳氧化率的核算准确程度会很大程度上影响CO2核算的准确性。本文以40台大型燃煤电站锅炉的124次锅炉性能试验数据为基础，统计得到不同规模和类型锅炉碳氧化率的分布范围，同时从统计规律上研究了负荷率、煤质特性等因素与碳氧化率的相关关系。结果表明：300 MW及以上级别大型燃煤锅炉（不包括燃用无烟煤和贫煤锅炉）的碳氧化率均高于标准中推荐的缺省值98%，随着锅炉容量的提高，碳氧化率会有一定的上升；相同容量切圆燃烧锅炉的碳氧化率要明显高于对冲燃烧锅炉；碳氧化率与燃煤收到基灰分呈一定负相关关系，与燃煤全水分呈一定的正相关关系，而与锅炉负荷率、燃煤收到基含碳量和干燥无灰基挥发分的相关性很小。

锅炉；温室气体；碳排放；排放因子；碳氧化率；负荷率；煤质特性

2014年，中国和美国在北京发布应对气候变化联合声明，中方首次正式承诺计划2030年左右中国碳排放达到峰值。为实现碳排放强度下降的目标，我国推行温室气体排放总量控制和配额管理制度，并计划启动碳排放权交易，即通过为重点排放单位设定总量控制目标，形成倒逼机制，促使企业加 强碳排放管理。国家发展和改革委员会在2011年 11月发布了《关于开展碳排放权交易试点》的通知，同意北京、天津、上海、重庆、广东、湖北和深圳等7个省市开展碳排放权交易试点。2017年，国 家发展和改革委员会颁布《全国碳排放权交易市 场建设方案》，标志着全国碳排放交易体系完成总体设计。

发电行业作为碳排放总量最大的行业，具有产品单一、数据基础较好等特点，是启动全国碳排放交易体系的突破口。在我国，燃煤电厂作为二氧化碳（CO2）固定和集中的排放源，发电比例超过70%，与此同时CO2排放量占发电CO2排放总量的95%以上[1]。因此，燃煤电厂碳排放的精准计量对实现全国碳排放的精准核算意义重大。

本文以大型燃煤电站锅炉中最常见的切圆 燃烧锅炉和对冲燃烧锅炉为对象，以40台锅炉的124次性能试验为基础，通过性能试验收集的煤质分析数据、灰渣分析数据和机组运行数据，计算得出不同类型机组的碳氧化率波动范围，可为不同炉型的碳氧化率缺省值优化选取和碳排放精准核算提供依据。

1 碳氧化率计算方法

国家标准《温室气体排放核算与报告要求第1部分：发电企业》（GB/T 32151.1—2015）[2]是目前发电行业核算温室气体排放量，并编制企业温室气体排放报告的参考标准，其中发电企业的温室气体特指CO2。化石燃料燃烧是发电企业CO2排放占比最大也是相对较难准确计量和核算的部分。化石燃料燃烧产生的CO2排放由化石燃料的活动数据燃料单位热值含碳量和化石燃料的碳氧化率计算得到。其中化石燃料的活动数据仅和燃煤的消耗量和发热量有关，燃料单位热值含碳量仅与燃煤成分相关，均较容易统计及核算。而不同类型锅炉或相同锅炉在不同燃烧工况下的碳氧化率差异较大，对其核算的准确程度严重影响CO2核算的准确性。

碳氧化率可由式(1)根据实测结果计算，在无法获得实测结果时也可取缺省值98%。

式中：为燃煤的碳氧化率，%；b为全年的炉渣产量，t；b为炉渣的平均含碳量，%；f为全年的飞灰产量，t；f为飞灰的平均含碳量，%；为除尘系统平均除尘效率，%；为燃煤的消耗量，t；为燃煤的平均低位发热量，GJ/t。

上述各项相关参数的获取方式如下。

1）炉渣产量和飞灰产量应采用实际称量值，按月记录。如果不能获取称量值时，可采用DL/T 5142中的估算方法进行估算[3]。其中锅炉各部分排放的飞灰和炉渣量应按锅炉厂提供的灰渣分配比例进行计算，对于煤粉炉飞灰比例可取推荐值90%。

2）除尘效率应采用设备制造厂提供的数据，在未提供数据时，除尘效率取100% 。

3）炉渣和飞灰的含碳量根据当月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。

灰渣含碳量取样的代表性对碳氧化率的实测值影响较大。标准规定飞灰和炉渣含碳量每月检测次数不低于1 次，但在锅炉运行过程中灰渣含碳量变化幅度较大，每月1次或数次的取样频次无法有效代表月均飞灰和炉渣的情况，这会导致碳氧化率的计算结果与实际情况出现偏差[4-6]。

GB/T 32151.1—2015规定，如果碳氧化率实测结果难以获得，可采用缺省值98%。在2017年以前的核查报告编制过程中，碳氧化率多数采用缺省值。但是，电站锅炉的类型较为复杂，不同容量和燃烧方式锅炉的实际碳氧化率波动范围与缺省值差异较大[7-11]，若均采用相同缺省值，也会导致计算得到的碳排放量和实际碳排放量存在偏差。

目前，国内外对碳氧化率变化规律的研究还较少。吴汉栋等[12]选取了某亚临界300 MW机组研究不同影响因素情况下碳氧化率的变化情况；盖志杰等[10]统计了某电厂的碳氧化率在历年的变化情况。本文在不大幅增加飞灰、炉渣等取样频次的情况下，通过对不同规模、类型锅炉的碳氧化率进行试验研究和统计，得到不同类型锅炉碳氧化率的波动范围，可为碳氧化率核算及缺省值取值提供参考。

2 试验工况及方法

2.1 试验工况

本研究选取300、600、1 000 MW级别对冲燃烧锅炉和切圆燃烧锅炉共6种炉型对碳氧化率进行试验，试验研究的不同类型锅炉数量和工况数量见表1。试验选取锅炉数量40台，锅炉制造厂家、运行年限等差异较大；合计试验工况124种，且均依托于锅炉性能试验；煤质和飞灰取样均在稳定工况下进行，具有代表性，能够反应该锅炉的实际运行状况。

表1 碳氧化率试验工况

Tab.1 Summary of carbon oxidation rate test conditions

2.2 试验方法

试验参考美国机械工程师协会（ASME）的性能试验标准《Fired steam generators performance test codes》（ASME PTC4—2013）[13]和《电站锅炉性能试验规程》（GB/T 10184—2015）[14]实施。

试验前对锅炉全面吹灰1次，所有的给水加热器投入运行，切除机组供热，负荷升至试验要求负荷并至少保持稳定运行1 h；在试验期间，锅炉负荷、汽温、汽压和风量尽量保持稳定，不吹灰、不做任何会扰乱运行工况的操作，试验煤质保持稳定。

入炉煤取样通过设置在每台给煤机落煤管上的入炉煤取样点进行，每工况取样一次，每次约为2 kg并密封好。依据GB 474进行制样，同时按照相应国家标准进行碳元素分析、工业分析和发热量测定。飞灰取样采用电厂锅炉烟道上安装的固定式飞灰取样器，按左右侧分开，试验开始时倒空采样瓶，试验结束后取出样品。炉渣样在试验过程中定期在炉底渣排放口获取，装入密封袋中。飞灰和炉渣的样本检测遵循DL/T 567.6的要求进行。

3 试验结果

同一台锅炉的不同工况试验以及相同类型多台锅炉的碳氧化率结果均有一定波动范围，在有较多样本的情况下，多组碳氧化率数据平均值能在一定程度上反应某一类型锅炉碳氧化率情况。不同类型的燃煤电站锅炉在额定负荷下的碳氧化率试验结果如图1所示，其碳氧化率结果平均值和标准差见表2。

由图1和表2可以看出：文中所统计的300 MW及以上的大型燃煤电站锅炉中，碳氧化率平均值均高于缺省值98%，其中300 MW对冲燃烧锅炉的碳氧化率为98.65%，而其他5种锅炉的碳氧化率均超过99%，这说明GB/T 32151.1—2015中推荐的缺省值98%与实际情况有较大偏差，若采用该缺省值，会导致核算报告得到的CO2排放总量小于实际排放量；随着锅炉容量的提高，碳氧化率会有一定的上升，其中600 MW级别和1 000 MW级别对冲燃烧锅炉比300 MW级别对冲燃烧锅炉的碳氧化率分别高0.56%和0.91%，这两个级别的切圆燃烧锅炉比300 MW级别的切圆燃烧锅炉碳氧化率分别高0.54%和–0.01%；600 MW和1 000 MW级别切圆燃烧锅炉的碳氧化率已经较高，随着机组容量的增加变化不明显；切圆燃烧锅炉的碳氧化率要明显高于对冲燃烧锅炉，300、600、1 000 MW级别的切圆燃烧锅炉的碳氧化率比相应级别的对冲燃烧锅炉分别要高0.51%、0.49%、0.13%，该结果与文献报道的不同燃烧方式锅炉的飞灰含碳量结果对应[15-16]。

图1 不同类型锅炉额定负荷下碳氧化率试验结果

表2 碳氧化率结果平均值和标准差

Tab.2 The average values and standard deviations of carbon oxidation rate

根据上述研究结果，建议燃煤电站锅炉（不包括燃用无烟煤和贫煤的锅炉）的碳氧化率缺省值可调整至99%以上，或者可根据不同炉型取表2中的平均值。

实际运行过程中，大型电站锅炉的负荷率变化范围一般在50%~100%之间，图2为300 MW和600 MW 4种不同类型锅炉在100%、75%、50%负荷率下的碳氧化率变化情况。

由图2可以看出：负荷率的变化对碳氧化率的影响不大，75%和50%负荷率时300 MW对冲锅炉的碳氧化率分别为98.31%和98.29%，位于表2中该类型锅炉额定负荷的碳氧化率波动范围（平均值±标准差）98.65%±0.36%之内；300 MW切圆锅炉、600 MW对冲锅炉和切圆锅炉在75%和50%负荷率时的碳氧化率也均位于表2中该类型锅炉额定负荷碳氧化率波动范围之内。因此，在缺少低负荷试验数据时，可用锅炉额定负荷下的碳氧化率结果代表锅炉在实际运行状况下的碳氧化率水平。

图2 碳氧化率随负荷率变化情况

入炉煤成分对碳氧化率有一定影响[12,17]。图3为多台不同锅炉的碳氧化率随燃煤收到基含碳量的变化情况。

图3 碳氧化率随着燃煤收到基含碳量的变化情况

由图3可以看出，碳氧化率与燃煤收到基含碳量的相关性较小，对图中数据进行线性拟合，得到的线性度判定系数2仅为0.15，可以认为燃煤收到基含碳量对碳氧化率影响很小。

图4为碳氧化率随燃煤收到基灰分的变化情况。由图4可以看出，随着燃煤收到基灰分的增加，碳氧化率呈现下降趋势，对图中数据进行线性拟合，得到线性度判定系数2为0.31，说明两者之间有一定的负相关关系。

根据某电厂4台相同类型的600 MW级别锅炉的试验数据，得出碳氧化率随着燃煤全水分和干燥无灰基挥发分的变化情况分别如图5和图6所示。由图5和图6可以看出：碳氧化率与燃煤全水分之间有一定正相关关系，线性度判定系数2为0.32；而碳氧化率与燃煤干燥无灰基挥发分之间几乎无相关性。

图4 碳氧化率随着燃煤收到基灰分的变化情况

图5 碳氧化率随燃煤全水分变化

图6 碳氧化率随燃煤干燥无灰基挥发分变化

4 结论与建议

1）300 MW及以上级别大型燃煤锅炉的碳氧化率均高于标准推荐的缺省值98%，若采用该值核算碳排放会导致核算得到的CO2排放总量要低于其实际排放量。建议燃煤电站锅炉（不包括燃用无烟煤和贫煤的锅炉）的碳氧化率缺省值调整至99%以上，或者可根据不同炉型取值。

2）随着锅炉容量的提高，碳氧化率会有一定的上升，相同容量的切圆燃烧锅炉的碳氧化率要明显高于对冲燃烧锅炉；对同一台锅炉，负荷率的变化对碳氧化率的影响不大。

3）入炉煤的成分会一定程度上影响碳氧化率。碳氧化率与燃煤收到基灰分呈一定负相关关系，与燃煤全水分呈一定的正相关关系，而与燃煤收到基含碳量和干燥无灰基挥发分之间相关性很小。

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Experimental study on carbon oxidation rate of large-scale coal-fired stations

XIANG Qunyang1,2, LANG Ning2, CAI Yi1,2, ZHOU Jie1,2

(1. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Energy Conservation & Pollutant Control Technology for Thermal Power, Hangzhou 311121, China; 2. Zhejiang Energy Group R&D, Hangzhou 311121, China)

China national standard GB/T 32151.1—2015 is the current reference standard for power generation enterprises to accounting CO2emission amounts and prepare the emission report for greenhouse gases. According to the standard, the accounting accuracy of the carbon oxidation rate will greatly affect the accounting accuracy of CO2emission. On the basis of 124 performance tests data for 40 large-scale coal-fired boilers, the distribution range of the carbon oxidation rate of the boilers with different scales and types was obtained statistically. Moreover, the relativity relationship between the carbon oxidation rate and load ratio or coal property was analyzed from statistical point of view. The results show that, the carbon oxidation rate of large-scale (300 MW and above) coal-fired boilers (except anthracite-and lean coal-fired boiler) was larger than the recommended value 98% of the standard. The carbon oxidation rate increased with the boiler scale and the carbon oxidation rate of the tangentially-fired boilers was higher than that of the opposed firing boilers. Besides, the carbon oxidation rate had weakly negative correlation with ash content of the coal and weakly positive correlation with total water content of the coal, while it was almost uncorrelated with the load ratio, the carbon content of the coal and the coal volatile matters.

boiler, greenhouse gases, CO2emission, emission factor, carbon oxidation rate, load rate, coal property

TK229.6

A

10.19666/j.rlfd.201812229

项群扬, 郎宁, 蔡毅, 等. 大型燃煤电站锅炉碳氧化率试验研究[J]. 热力发电, 2019, 48(6): 24-28. XIANG Qunyang, LANG Ning, CAI Yi, et al. Experimental study on carbon oxidation rate of large-scale coal-fired stations[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 24-28.

2018-12-11

项群扬(1989—)，男，博士，工程师，主要研究方向为火电厂锅炉燃烧和二氧化碳减排技术, 524786796@qq.com。

（责任编辑 马昕红）