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发电企业入炉煤元素碳含量监测技术的应用现状分析

2020-06-02 534 上传者：管理员

摘要：目前，在发电行业，虽然入炉煤元素碳含量采制化各环节均具备相应的国家标准和行业标准，但有关缩分样的采集制备和单位热值含碳量计算参数选取等要求仍不甚明晰。实施入炉煤元素碳含量的合理规范实测将成为行业趋势，涉及的采制化等流程的监测技术规范应尽快建立。因此，本文总结分析了发电企业入炉煤元素碳含量的采制化和碳排放相关的研究现状。

关键词：
MRV
元素碳含量
发电企业
监测技术
碳市场
采制化
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2017年12月19日，全国碳市场启动，电力行业为纳入全国碳市场的首批行业。2018年4月16日，生态环境部正式揭牌，国家发展和改革委员会应对气候变化和减排职责并入生态环境部，二氧化碳排放管控也被纳入生态环境部的监管范围。

碳排放的监测、报告和核查（MRV）是保证全国碳市场数据质量的根本。2013年10月和2015年11月，国家相继出台《中国发电企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》和国家标准《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）。化石燃料燃烧的二氧化碳排放一般占发电企业总排放的98%以上，上述指南和国家标准均明确化石燃料燃烧的二氧化碳排放由燃料消耗量、低位发热量、单位热值含碳量和碳氧化率相乘所得，其中，入炉煤单位热值含碳量由月平均元素碳含量与月平均低位发热量相除得出。有关研究表明，入炉煤元素碳含量是所有煤质化验指标中对碳排放核算结果影响最大的参数。

依据《中国发电企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》，企业应每天采集缩分样品，每月的最后一天将该月每天获得的缩分样品混合，测量其元素碳含量。但是，其中对于月度缩分样检测和日常检测的数据对比采信，缩分样品采集的比例、质量以及采集后如何混合等问题尚未明确，缺少相关的技术规范。因此，针对发电企业入炉煤元素碳含量这一关键参数，本文综述了该参数目前相关监测技术的研究进展，为完善元素碳含量监测规范提供理论依据。

1、入炉煤元素碳含量监测技术

入炉煤元素碳的检测工序主要分为采样、制样、化验3个环节。每个环节都会对监测结果产生一定的误差。以往的研究表明，煤质指标监测结果的误差中，采样环节的占80%，制样环节的占16%，化验环节的仅占4%。因此，如果对这三个环节重视程度不够，即使发电企业使用的各类监测设备再昂贵，人员工作能力再出色，最终的检测结果都会远远偏离其真实的结果。

1.1 入炉煤采样

入炉煤的采样方式主要分为人工采样和机械采样。

1.1.1 人工采样

关于人工采样，国家出台了相关的标准，即《商品煤人工采样方法》（GB 475—2008），代替旧国标《商品煤样采取方法》（GB 475—1996）。新国标增加了专用采样方案的设计，一般分析煤样、全水分煤样和粒度分析煤样的总样最小质量的规定，首次提出了采样精密度与被采煤的变异性、采样单元数、子样数和试样量制样和化验误差有关。

针对以入炉煤为主的移动煤流的采样方法，新国标增加了子样质量与煤的流量成正比的规定，要求进行分层随机采样和停皮带采样。新国标为商品煤的人工采样工作提供了行动指南，发挥了巨大的指导作用[1]。然而，人工采样工作量大，劳动强度大，存在较大的安全风险。为减轻劳动，保证安全，操作人员有时会简化标准，降低采样精密度。大部分情况下，人们只能在表面采样，煤样代表性下降，难免产生人为误差[2]。

1.1.2 机械化采样

机械采样比人工采样效率高，机械采样量比人工采样大，样品更有代表性，因此机械采样越来越普遍。目前，国内入炉煤的机械化采样主要的标准为《煤炭机械化采样第1部分采样方法》（GB/T 19494.1—2004）和《火力发电厂燃料试验方法第2部分：入炉煤和入炉煤粉样品的采取和制备方法》（DL/T567.2—2018）。

采样过程中，多种因素均可能影响煤样代表性，但煤质变异性（主要用初级子样方差来表征）是导致采样误差（方差）的首要因素，决定了采样方案的制定。采样方案应包含采样单元和总样分配、煤样子样数目、子样点的布置、子样量和采样间隔时间等规定[3]。按照国标规定，入炉燃煤采样精密度应不大于1.6%。但是，电力行标有更严格的规定：用于煤耗计算的入炉煤采样精密度应不大于1%，因为入炉煤量的计量精确度为±0.5%，因此机械采样方案的制定应在确认初级子样方差和精密度要求的基础上，确定和优化入炉煤的采样单元、子样数、采样间隔等[4]。

机械采样装置目前尚存在部分调试检验和运行管理的问题，相关研究均对此开展问题分析和提出应对策略。总体而言，主要是做好采样机的合理选型和安装、性能检验、使用及维护，同时建立一套完备的采样管理及考核制度[5]。对于余料提升系统动力不足的问题，可以把链斗式提升机改造成为皮带刮斗式提升机，增强电机功率，加粗落煤筒，增加斗子来处理；对于碎煤机入口堵塞的问题，可以在落煤管外加设振打电机，让落煤筒壁上堆积的煤浆落下，从而避免堵塞；对于取样皮带处漏煤撒煤的问题，可以把导煤槽两侧设计的挡板调整为喇叭口，其最宽位置的宽度和皮带的一致，然后逐渐收口，从而避免皮带上输送煤样跑煤[6,7]。

1.2 入炉煤制样

入炉煤样的制样同样分为人工制样和机械制样。

1.2.1 人工制样

目前，人工制样依据的标准主要为《煤样的制备方法》（GB 474—2008）。煤样的制备包括破碎、混合、缩分和干燥等程序。煤样的制备实际上是按粒度不同分组进行的。通常分为25、13、6、3、1 mm五组，最后制成小于0.2 mm的分析用煤样。煤的粒度越大，所需保留的煤样越多。在传统的人工制样过程中，由于煤质的复杂性及不均匀性，加上全水过高或粒度过大、人工操作未完全按照国标执行等因素的影响，最终制成样品的代表性难以保证。同时，人工制样的人力资源投入大但生产效率低，还存在制样耗时长、安全隐患大、工作环境差等问题[8]。

1.2.2 机械制样

从2013年开始，部分电厂开始推行燃料管理智能化，强调采制过程无人干预作业、采制一体化作业及采制全自动作业等技术要求，促使各生产设备厂家加大研发投入，逐步向市场推出了全自动制样系统。目前，国内入炉煤的机械化制样主要的标准为《煤炭机械化采样第2部分：煤样的制备》（GB 19494—2004）和《入炉煤、入炉煤粉、飞灰和炉渣样品的制备》（DL/T 567.4—1995）。

近年来，国内学者对煤炭机械制样装置应用进行了大量研究，有的介绍了全自动制样系统的工艺流程和系统结构、运行方式、环保除尘系统、电气控制系统，重点阐述了取样、称重、制样、弃料收集等工艺流程，分析自动制样系统在入炉煤制样实际应用中的优点及存在的问题，并对该制样系统进行灰分及全水分偏倚试验[9]。全自动制样系统的优势在于：制样流程规范且符合标准，便于管理；煤种适应性强，输出样品代表性强；提高制样工作效率，节约人力资源；改善工作环境，降低安全卫生隐患[10]。当然，目前，全自动制样系统在实际应用中仍存有部分问题，例如，对煤样水分、质量、粒度等适应性未能完全覆盖，煤样过破碎，存查样流量过少，除尘效果不理想，噪声污染较大。装置的日常运行管理和维护也对操作人员的技术水平具有较高的要求[11]。

1.3 入炉煤元素碳含量检测

1.3.1 传统的化验方法

入炉煤元素碳含量指的是试验煤样测定的碳元素在所有元素中的百分比。目前，国内三种常用的元素碳检测标准分别为《煤中碳和氢的测定方法》（GB/T 476—2008）、《燃料元素的快速分析方法》（DL/T 568—2013）和《煤中碳氢氮的测定仪器法》（GB/T 30733—2014）。元素碳含量的测定原理为煤样品在高纯氧及高温下燃烧，生成的二氧化碳、水、氮气、氮氧化物、二氧化硫、三氧化硫等混合物经吸收后，由检测系统测定计算。不同国家标准或行业标准对应的吸收物质、系统和检测系统不一致。《煤中碳和氢的测定方法》（GB/T 476—2008）主要包括三节炉法、二节炉法及电量重量法，这些经典方法测定结果准确可靠，精密度好，但其操作步骤复杂，测定周期长[12,13]。当前，国内许多质检机构和企业开始逐渐采用元素分析仪检测煤中碳、氢和氮元素含量[14,15,16]。碳氢氮元素分析仪可在6～8 min内完成3种元素的同时测定，和传统的三节炉法相比，具有操作过程简便、测定时间短、自动化程度高、线性范围宽、稳定性好等优点。

1.3.2 新型在线检测技术

目前，煤质的快速监测技术主要有两类。一是以瞬发γ中子活化分析和双能γ射线等为代表的有放射源的核辐射检测技术，二是以多能X射线吸收法、X射线荧光法、激光诱导击穿光谱分析法等为代表的无放射源的煤质快速检测技术。基于激光诱导击穿光谱技术（LIBS）研发的煤质在线智能检测系统，具有检测速度快、数据准确、自动化程度高、避免人为因素影响、减少劳动强度等特点[17]。基于遗传算法（GA）优化的BP神经网络建立的中子法碳含量检测模型，该方法的检测准确度达到0.5%[18]。基于无放射源的煤质检测技术由于其测定的精度、适用范围和可测硫分的特点，已逐渐成为行业的发展趋势。

除此之外，目前，国内也有部分元素碳含量的软测量及在线计算技术的研究。一是结合入炉煤各元素含量及其他关键参数的数学模型，导入电厂运行数据，计算出入炉煤的元素含量和锅炉效率数据[19]。二是结合锅炉烟气信息等实测参数，建立煤质计算模型，探索一套煤质在线计算系统，实现煤质在线监测的功能[20]。

2、入炉煤元素碳含量与碳排放

目前，针对元素碳含量与企业碳排放相关的研究较少。元素碳监测的推广有利于发电企业碳排放量的准确核算，并不会给企业带来过重的经济负担[21]。同时，在发电企业燃煤碳排放的二级影响参数中，元素碳含量的影响力最大，三级影响参数的排序为：空干基元素碳含量>全水>空干基水分>空干基灰分>飞灰含碳量（飞灰产量）>炉渣含碳量（炉渣产量）>低位发热值[22]。排在前列的空干基元素碳含量、全水和空干基水分均是计算收到基元素碳含量的重要参数。

《中国发电企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》规定的元素碳含量测定标准应符合《煤中碳和氢的测定方法》（GB/T 476—2008）。当然，从后续国家MRV平台的相关回答也可以看出，其测定标准满足《煤中碳氢氮的测定仪器法》（GB/T 30733—2014）和《燃料元素的快速分析方法》（DL/T 568—2013）。但是，针对上述每天缩分样品的采集和混合，国内不同发电企业均有不同的内部操作要求。目前，《中国发电企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》未做出明确规定，给测定结果和最终排放核算结果造成很大的不确定性。

2019年3月，国家MRV平台公布了发电企业入炉煤单位热值含碳量高限值（33.56 tC/TJ），对于没有实施元素碳含量实测的企业统一采用高限值。通过相关发电企业的实际数据估算，采用高限值使得缺乏元素碳含量实测的企业整体排放量提高20%～30%，没有实施元素碳含量实测的企业在参与之后的全国碳市场交易的过程中将会处于非常被动的地位。可以看出，高限值的出台正是为了促进发电企业入炉煤元素碳含量的监测走向规范化和合理化。

3、结论

随着全国碳市场的逐步完善，预计2020年纳管发电企业开始承担碳排放履约义务，排放量核算相关指标的监测技术规范化建设显得尤为重要，其中以入炉煤元素碳含量的最为关键。目前，发电企业入炉煤元素碳含量监测技术的研究主要集中于采制化和数据建模，侧重于主流煤质指标的避免偏差、提升精度、提高效率和分析校正等方面的研究。但是，涉及元素碳含量的采制化全流程监测技术以及监测结果与碳排放关系的研究较少，发电行业针对入炉煤元素碳含量监测的技术规范或标准应尽快建立，以加快推进全国碳市场碳排放的监测、报告和核查体系建设。

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