电力设备碳排放分析及碳捕捉技术在电力系统中的应用研究

2023-10-18浙江浙能台州第二发电有限责任公司肖思毓

电力设备管理 2023年18期

浙江浙能台州第二发电有限责任公司肖思毓

随着全球能源需求的不断增加，电力系统已成为人们生产生活中不可或缺的能源来源。然而，电力系统中的化石燃料燃烧不仅会产生大量二氧化碳等温室气体，而且还会导致环境污染。因此，研究电力设备碳排放分析及碳捕捉技术在电力系统中的应用，具有重要的理论和实践意义。本文旨在通过对电力设备碳排放的分析，探讨电力系统中碳捕捉技术的应用，并提出电力设备碳排放减排对策，以促进我国电力系统的可持续发展。

1 电力设备碳排放概述

电力系统中的碳排放主要来自燃煤、燃气、石油等化石燃料的燃烧过程，同时还包括电力设备的生产和运输过程等。据统计，我国电力系统碳排放占全国总碳排放的三分之一，电力系统中电力设备碳排放量占碳排放总量的较大比例[1]。

1.1 电力设备碳排放量计算方法

电力设备碳排放量的计算方法主要包括“碳排放系数法”和“工程测量法”两种方法。其中，“碳排放系数法”是指根据电力设备使用的燃料类型和燃料的碳排放系数来计算电力设备碳排放量；“工程测量法”是指，通过对电力设备使用的燃料量和燃烧过程中产生的二氧化碳排放量的实际测量，来计算电力设备碳排放量[2]。电力设备碳排放量的计算方法与具体的电力设备类型、燃料类型、运行状态等有关，下文以燃煤发电机组为例，其计算方法公式为：

电力设备碳排放量=煤耗×燃煤碳含量×44/12

其中，煤耗指单位时间内燃煤的消耗量，单位为t/h；燃煤碳含量指燃煤中的碳含量，单位为百分比；44/12是将燃煤中的碳转化为二氧化碳的系数。

1.2 电力设备碳排放影响因素

电力设备碳排放量受多种因素影响，其中燃料类型是最重要的因素之一。不同燃料类型的燃烧所产生的碳排放系数不同，煤炭燃烧所产生的碳排放量远高于天然气和核能的碳排放量[3]。另外，电力设备在燃烧燃料时的能量利用效率也会影响其碳排放量，燃料利用率越高，碳排放量越低。例如，在燃煤电厂中，采用高效节能的锅炉和发电机组，能有效降低碳排放量。

除了燃料类型和燃料使用效率外，电力设备的运行状态也是影响其碳排放量的重要因素。包括负载率、运行时间、维护保养情况等。例如，在低负载率下运行，电力设备的燃烧效率较低，碳排放量较高；而在正常负载率下，电力设备的燃烧效率较高，碳排放量相对较低。

除了上述因素外，电力设备的碳排放量还受到燃料的水分含量、氧气含量、燃烧温度等因素的影响。此外，电力设备使用的污染治理设施和技术也会影响其碳排放量。例如，采用先进的脱硫、脱硝、除尘等污染治理技术，能有效降低电力设备的碳排放量。综上所述，电力设备碳排放量受多种因素的影响，对于减少碳排放量，需要从多个方面入手，采取多种措施来降低电力设备的碳排放量。

2 电力系统中碳捕捉技术应用

2.1 碳捕捉技术概述

碳捕捉技术是指通过对电力设备排放的二氧化碳进行捕捉和存储，以减少其对大气的排放。碳捕捉技术主要包括化学吸收、物理吸附、膜分离等技术[4]。其中，化学吸收技术可达到较高的二氧化碳捕集效率，但消耗能源和处理废液成本高；物理吸附技术不需要消耗能源，处理废料成本低，但需要更换吸附材料；膜分离技术具有较高的二氧化碳捕集效率，同时不需要消耗能源和产生废液和废料，但膜材料成本较高。因此，在选择二氧化碳捕集技术时，需要根据具体情况进行综合考虑。

表1 不同碳捕捉技术的原理及优缺点

2.2 碳捕捉技术在电力系统中的应用

电力系统是温室气体排放的主要来源之一，因此采用碳捕捉技术是实现低碳经济的重要手段之一。在电力系统中，碳捕捉技术可应用于燃煤电厂、燃气电厂和柴油发电机组等碳排放量较高的发电设施中。

具体来说，碳捕捉技术在电力系统中的应用包括前端和后端两个阶段。前端阶段主要是在燃料预处理过程中采用化学，或物理方法将燃料中的二氧化碳分离出来，可减少燃料中的二氧化碳含量，从而降低发电过程中的碳排放量[5]。后端阶段则是在燃烧过程中通过化学吸收等方式将燃烧产生的二氧化碳捕捉下来，防止其排放到大气中。

在燃煤电厂中，碳捕捉技术主要是通过后端方式实现的，即在燃烧过程中利用吸收剂将二氧化碳捕捉下来，并将其转移至储气罐中进行储存或输送到地下储存设施。燃气电厂则可以采用前端方式将二氧化碳从天然气中分离出来，或者采用后端方式捕捉燃烧过程中产生的二氧化碳。此外，柴油发电机组中也可采用后端方式捕捉燃烧产生的二氧化碳。

图1 碳捕捉技术概念流程示意图

2.3 电力系统中碳捕捉技术的效果

在电力系统中应用碳捕捉技术可大幅度减少二氧化碳的排放，从而降低对全球气候的影响。采用化学吸收技术可以实现90%以上的二氧化碳捕捉效率，而物理吸附技术和膜分离技术也可以达到较高的捕捉效率。通过对不同碳捕捉技术进行比较，可发现化学吸收技术的捕捉效率最高，但处理成本较高，而物理吸附技术和膜分离技术则更加经济实用，但需要更换吸附材料或处理分离后的二氧化碳。

在实际应用中，电力系统中碳捕捉技术的效果主要体现在降低二氧化碳排放量和改善空气质量等方面。以化学吸收技术为例，对于1000MW的电力发电厂，每年可减少约200万t的二氧化碳排放。同时，通过减少污染物的排放，也可以改善当地的空气质量，降低对环境和人体的危害。此外，电力系统中碳捕捉技术的应用还可以带来一定的经济效益，如降低企业运营成本、提高产品附加值等。总体来说，电力系统中碳捕捉技术的应用对于保护环境、改善空气质量和促进经济发展都具有重要意义。

2.4 电力系统中碳捕捉技术的经济性

根据国内外相关研究数据，从经济学的角度来看，目前碳捕捉技术的建设和运营成本较高。具体而言，大型火电厂采用碳捕捉技术的投资成本一般在每千瓦装机容量1500～2000美元（1美元约合7.318人民币），而小型火电厂的成本则更高。此外，由于碳捕捉技术需要大量的能源投入，因此其能源消耗量也较高。据统计，每吨二氧化碳的捕捉处理需要消耗额外的20%～30%能源。

除此之外，碳捕捉技术的运营成本也需要考虑到后续处理和储存的费用。一般来说，碳捕捉技术会产生大量的二氧化碳尾气，需要通过二氧化碳的再处理或储存来避免对环境造成污染。这些后续处理和储存费用也需要纳入碳捕捉技术的经济成本考虑范畴。

就我国而言，目前碳捕捉技术的建设和运营成本相对较高，但政府已经开始采取措施推动其发展。我国政府发布了《关于开展大型火电机组烟气脱硫、脱硝和除尘技术改造的指导意见》，提出对改造后实施碳捕捉的电厂，可享受税收优惠和财政补贴等政策。预计未来，随着碳排放交易市场的扩大和碳捕捉技术成本的进一步降低，碳捕捉技术的经济性将逐步提高，为我国电力行业的低碳发展和实现碳中和目标提供有力支持。

3 电力设备碳排放减排对策

3.1 电力设备碳排放减排的意义

电力设备碳排放减排的意义在于减少二氧化碳等温室气体的排放，以应对全球气候变化和环境保护的需求。电力行业是二氧化碳排放的主要来源之一，因此减少电力设备的碳排放对全球气候变化和环境保护具有重要的意义。

3.2 碳排放减排对策

为了减少电力设备的碳排放，可以采取多种措施。一方面可采用能源转型，推广使用洁净能源，如太阳能、风能、水能等。另一方面，可对现有电力设备进行技术改造和升级，采用碳捕捉技术等减少碳排放。此外，还可以通过促进节能降耗，优化供需结构等手段减少能源消耗和碳排放。同时，推广碳交易机制，鼓励企业通过碳交易市场减少碳排放，增强企业环保意识和环保成本。