双碳背景下燃煤锅炉碳排放治理方法研究

韩飞　王健　刘旭杰　穆楠　付彪

关键词：双碳背景；燃煤锅炉；碳排放；治理效果

中图分类号：X321 文献标志码：A

前言

在双碳排放的背景下，应采取有效的碳排放控制措施，提高煤炭资源利用率，减少环境污染和破坏。已有各种方法被应用于该项技术的研究中，如：文献[1]采用演化博弈方法分析了影响碳排放治理的因素与碳排放的空间分异特征，并结合碳排放强度提出针对性的碳排放治理策略，但该方法对于燃煤锅炉碳排放各利益主体的均衡点缺少仿真分析。文献[2]通过构建普通面板空間EKC模型研究碳排放量与燃煤锅炉各工序之间的关系，并结合环境效应原理设计碳排放治理方案，但该方法忽略了碳强度规模效应与结构效应的影响。针对以上问题，文章对双碳背景下燃煤锅炉碳排放治理方法进行研究与设计。

1.3模型求解

改进的粒子算法采用混合编码方法，通过快速非支配排序对优秀种群进行分层排序，以获得不同阶数的前端粒子，并通过交叉和变异操作，选择全局最优位置以输出最佳解。模型求解流程见图2。

根据图2，可得到利用改进粒子算法求解碳排放治理目标模型的步骤如下。

（1）设置初始参数与初始化种群。代表解的染色体采用二进制编码策略，对模型中的控制参数实施实数编码。

（2）计算种群的目标函数值与约束违反度。

（3）在第一个前端中随机选择一个解作为粒子全局最优解。

（4）根据种群序值更新进化粒子的速度与位置，并进行第二代寻优过程。

（5）从不同的前端中，根据适应度值大小依次选择新个体，作为下一代进化的优秀个体。

（6）判断是否达到最大迭代次数，若达到，则终止算法，输出最佳结果，否则，返回第（3）步继续进化直至达到最大迭代次数。

2实验论证分析

2.1实验准备

选取某工业企业的循环硫化床燃煤锅炉为研究对象。该锅炉呈双侧布风布局，并配有3个煤仓。该锅炉在正常运行中煤炭燃烧产生二氧化碳的排放情况具体如下：煤炭单位热值含碳量为2.6×10^-3t/G，炉渣产量为120.6t，炉渣碳元素含量为0.3%，静电除尘灰产量为89.6t，静电除尘灰碳元素含量为2.5%，布袋除尘灰产量为140.3t，布袋除尘灰碳元素含量为5.0%，煤炭碳氧化率为95.7%，化石燃料燃烧CO₂排放量为2147.8t。各指标均较高，应对该企业燃煤锅炉的碳排放治理进行策略优化。

实验采用基于双碳经济的燃煤锅炉碳排放治理模型，对2022年7月-12月上述企业的设备能源结构进行分析。基础实验数据包括月电力需求、单位电力燃料消耗率、煤炭单价、二氧化碳排放系数、锅炉单位比投资、运行维护成本、二氧化碳排放规律和环境价值标准。

2.2实验说明

设定研究区工业碳排放利益主体收益参数为0.1，企业持续监管、减排和核查的概率分别为0.3、0.2和0.5，企业选择减排的概率不断上升并最终收敛于1。各种煤化工产品的碳排放系数参考见表2。

以基于基准情景为参考，将所提方法应用结果的政策情景作为对照，测试文章方法应用效果。

2.3碳排放治理方案应用结果分析

以该企业2022年5-12月份为案例时间，将基于治理方案下的碳排放量与无政策下的碳排放量进行比较，分析治理效果。对比结果见图3。

如图3所示，将所提方法应用于该企业燃煤锅炉碳排放治理中，在5月-12月对于碳排放治理期间，碳排放量大幅度降低。在该方案下，碳排放量在8月份达到稳定值，表明文章提出的碳排放治理方法能够有效降低燃煤锅炉的碳排放量，碳排放治理效果较好。

2.4减排率对比实验分析

为进一步验证文章方法在燃煤锅炉碳排放治理方面的优越性能，引入文献[1]基于演化博弈视角（方法1）、文献[2]基于空间EKC模型（方法2）作为文章方法的对比方法，并统计不同方法治理碳排放后的减排效果，见图4。

如图4所示，在不同碳氧转化率条件下，文章方法得到的二氧化碳减排率要远高于对比方法，均在45%以上。方法1的减排效果较差，主要是由于该方法无法根据碳达峰目标适时调整目标模型的内部控制参数；方法2相比于方法1的减排效果具有较大提升，但总体碳排放治理效果仍不理想，主要是由于该方法不能通过改变不同的变量参数调控设置不同的碳排放场景。

将文章方法应用于位于东北地区的某电厂、位于华北地区的某钢铁厂以及位于华东地区的某化工企业中，应用该方法后均运行稳定，二氧化碳排放量显著下降，也减少了对环境的污染和对化石能源的依赖，但投资成本及运行维护费用相对较高。

3结束语

为弥补当前燃煤锅炉碳排放治理方法存在的不足，文章提出双碳背景下的燃煤锅炉碳排放治理方法。在方法设计中，同时考虑了碳排放量和治理成本两个关键指标，通过构建多目标决策模型，更全面地评估治理方案的综合效果，测算碳排放量与构建碳排放治理目标模型，并引入改进粒子算法对模型进行求解，由此获得最佳治理方案。此外，引入碳强度表征函数可以更准确地确定模型内部控制参数，提高治理效果的精确性和稳定性。选取某工业企业的循环硫化床燃煤锅炉为研究对象，将基于治理方案下的碳排放量与无政策下的碳排放量进行比较，并统计不同方法治理碳排放后的减排效果。实验结果表明，所设计的方法能够有效降低燃煤锅炉的碳排放量，减排效果较好。