燃煤电厂二氧化碳排放浓度在线监测技术

刘 英

(国家能源集团 徐州发电有限公司，江苏 徐州 221000)

以二氧化碳[1-2]等温室气体导致的全球气候变暖问题成为影响全球环境安全的焦点。电力行业[3]作为我国主要的碳排放主体，在城市碳排量中占比巨大，燃煤电厂则成为我国开展碳减排的重要对象之一。基于目前的国际形势，我国正逐步建立完善的碳交易市场以及法律法规[4]，因此，降低燃煤电厂的碳排放强度，监测二氧化碳排放浓度，不仅是我国碳减排、碳经济的发展要求，同样是降低碳排放保护环境的重要途径。

监测二氧化碳排放浓度是研究燃煤电厂碳中和的前提。在燃煤电厂二氧化碳排放浓度监测过程中，王彦琦等[5]通过采集火电厂二氧化碳排放数据，建立火电厂的连续排放浓度监测系统，并以火电厂为例，通过达标判定方法对监测结果实施判定，测试该监测方法的可行性。Thepanondh S等[6]通过确定燃煤电厂在减少排放和环境空气浓度方面的效率和适当性，对燃煤电厂汞排放的最佳控制进行评估。王振等[7]依据吸收光谱对大气中的光谱吸收函数值，确定光谱拟合残差；使用WM-DAS方法结合吸收光谱实现大气中的二氧化碳排放浓度在线监测。

本文在明确燃煤电厂二氧化碳排放特征的基础上，研究燃煤电厂二氧化碳排放浓度在线监测技术，提升燃煤电厂的二氧化碳排放浓度监测效果。经测试证实，所提方法在燃煤电厂二氧化碳排放浓度监测时，监测效果较好。

1 燃煤电厂二氧化碳排放特征分析

1.1 燃煤电厂与煤质基本情况

依据我国现有600 MW燃煤主力机型，选取全国不同地域的4家燃煤电厂[8-9]若干煤粉锅炉展开分析，燃煤锅炉基本情况以及煤质分析结果见表1。

表1 燃煤锅炉基本情况以及煤质分析结果Tab.1 Basic situation of coal-fired boilers and analysis results of coal quality

1.2 样本采集分析

煤燃烧时，烟气中的二氧化碳是以气体以及颗粒两种状态存在的。依据我国制定的固定污染源管道废气相关标准，对电厂燃煤产生的烟气开展分析，确定燃煤电厂燃煤烟气中二氧化碳的形态以及分布规律[10-11]。

1.2.1 确定除尘器和脱硫装置对二氧化碳形态分布影响因子

依据上述燃煤锅炉基本情况，对除尘器进出口位置的二氧化碳实施采集处理，以此分析除尘器对二氧化碳产生的形态分布影响，结果见表2。分析表2可知，除尘器使用后，燃煤时产生二氧化碳的颗粒下降明显，颗粒二氧化碳协同脱除效率高，但是除尘器对二氧化碳气体滤除效果较差。

脱硫装置对二氧化碳产生的形态分布影响结果见表3。分析表3可知，使用脱硫装置开展二氧化碳脱硫处理时，脱硫装置对二氧化碳气体的脱除效率高于对二氧化碳颗粒的脱除效率。

表2 除尘器对二氧化碳形态分布影响分析结果Tab.2 Analysis results of influence of dust collector on CO2 form distribution

表3 脱硫装置对二氧化碳形态分布影响分析结果Tab.3 Analysis results of influence of desulfurization unit on CO2 form distribution

目前，我国燃煤电厂使用的脱硫技术[12]大多为湿法烟气脱硫技术，选定的6台锅炉均使用该项脱硫技术。由于烟气中二氧化碳易溶于水，湿法烟气脱硫能有效脱除烟气中的二氧化碳，且脱除效率高达92%，同时烟气中的颗粒二氧化碳也被协同脱除。

1.2.2 排放特征分析

通过对燃煤锅炉中的二氧化碳进行燃烧和控制[13]，将二氧化碳迁移到脱硫废水中，测定6台锅炉不同物质中二氧化碳的浓度，结果如图1所示。

分析图1可完成燃煤电厂二氧化碳排放特征，结果如下：①燃煤电厂中，锅炉燃煤二氧化碳释放率较高，燃煤烟气中二氧化碳主要以气体形式存在；②除尘器与脱硫装置能够有效完成二氧化碳的协同脱除，除尘器脱除效率在12%～20%，脱硫装置对二氧化碳气体的平均脱除率在95%以上；③燃煤过程中，二氧化碳经过处理后，会迁移到飞灰、底渣等燃煤副产物中，其中煤渣中二氧化碳含量小，脱硫废水中的二氧化碳较多。

图1 6台锅炉不同物质中二氧化碳的浓度Fig.1 Concentration of CO2 in different substances of 6 boilers

2 二氧化碳排放浓度实时监测方法

依据上述燃煤电厂[14]二氧化碳排放特征分析结果，确定燃煤电厂二氧化碳监测点位置，开展燃煤电厂二氧化碳排放浓度的在线监测。

2.1 监测仪器

在开展燃煤电厂二氧化碳排放浓度在线监测时，选取德图350-Pro烟气分析仪[15]作为主要监测仪器，搭配二氧化碳红外传感器以及红外气体分析仪[16]等器材，完成燃煤电厂二氧化碳排放浓度的实时监测。

2.2 二氧化碳样品采集

依据国家相关规定，确定燃煤电厂的二氧化碳采样位置以及采样点，使用全玻璃注射对采样点的颗粒物实施采样。采样流程如下：①将取样管竖向置于取样点排气口，用排气管对取样管及玻璃注射器进行充分的清洁；②清洗后，使用玻璃注射器抽取取样点的二氧化碳，并迅速密封注射器气口送至实验室进行检测。

2.3 二氧化碳浓度测量

2.3.1 燃煤电厂现场监测

烟气分析仪取样管通常为70 cm，在前端设有不锈钢滤网，用来过滤微粒，并装有保温套。采样监测前，对器材标点实施校准处理，测量结束后，需要开展二次采样，将二者平均值作为监测结果。

2.3.2 二氧化碳采样分析

二氧化碳采样后，通过红外气体分析仪对其实施分析处理。分析过程中，分析仪色谱条件如下：①分析仪柱温50 ℃；②进样口温度80 ℃；③检测器温度200 ℃；④参比气流量30 mL/min；⑤尾吹气流量5 mL/min；⑥载气(高纯度氢气)流量10 mL/min；⑦进样体积100 μL。

2.4 燃煤电厂二氧化碳排放浓度监测结果

在燃煤电厂中，选取5个二氧化碳采样点，使用烟气分析仪对电厂内二氧化碳排放浓度[17]实施监测，监测结果如下。

2.4.1 燃煤二氧化碳排放浓度

通过经验拟合方法获取燃煤电厂实测干燥基碳含量以及拟合干燥基碳含量值，计算二者之间的误差，精确提取燃煤电厂采样点的燃煤二氧化碳排放浓度，结果见表4。

表4 燃煤二氧化碳排放浓度现场监测结果Tab.4 On site monitoring results of coal CO2 emission concentration

2.4.2 辅助用油二氧化碳排放浓度

辅助用油主要用于燃煤电厂[18-19]锅炉启动初期以及低负荷稳燃过程中，其低位发热过程中二氧化碳排放浓度见表5。

表5 辅助用油二氧化碳排放浓度现场监测结果Tab.5 Field monitoring results of CO2 emission concentration in auxiliary oil

移动用油主要包括电厂内生产用车以及办公用车，其排放量见表6。

表6 移动用油二氧化碳排放浓度现场监测结果Tab.6 Field monitoring results of CO2 emission concentration in mobile oil

2.4.3 脱硫过程中的二氧化碳排放浓度监测

燃煤电厂湿法脱硫[20]时，脱硫剂的主要成分石灰石中的碳酸盐会产生化学反应，从而生成二氧化碳。燃煤电厂脱硫过程二氧化碳排放浓度见表7。

表7 脱硫过程二氧化碳排放浓度现场监测结果Tab.7 On-site monitoring results of CO2 emission concentration in desulfurization process

对上述各个监测点的监测结果进行整合处理，获取燃煤电厂整体二氧化碳排放浓度以及监测方法的监测误差，结果见表8。

综上所述，基于上述监测方法开展燃煤电厂二氧化碳排放浓度监测时，电厂燃煤时产生的二氧化碳浓度最高，脱硫过程产生二氧化碳的位列其次，移动用油产生的二氧化碳最少，二氧化碳浓度监测值与实际值之间相对偏差在0%～13%，说明该监测方法的监测效果较好。

表8 燃煤电厂二氧化碳现场总体监测统计Tab.8 On-site monitoring statistics of CO2 in coal-fired power plants

3 结语

随着全球变暖影响，对燃煤电厂开展必要的二氧化碳排放浓度监测是保护环境、节能减排的关键，在此背景下，提出燃煤电厂二氧化碳排放浓度在线监测技术。该方法得出的燃煤电厂二氧化碳排放元素分析结果。确定了电厂内采样点位置，使用烟气分析仪完成二氧化碳采样，最后结合红外气体分析仪与各项分析方法，实现燃煤电厂二氧化碳排放浓度的在线监测。