摘要：燃煤電廠作為我國(guó)電力供應(yīng)的主要來(lái)源，其CO₂排放問(wèn)題日益受到關(guān)注?；趯?duì)燃煤電廠CO₂排放現(xiàn)狀的調(diào)研，探討有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)與減排策略，為我國(guó)電力行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型提供相關(guān)科學(xué)依據(jù)。通過(guò)詳實(shí)的數(shù)據(jù)分析，揭示燃煤電廠CO₂排放的特征與趨勢(shì)，強(qiáng)調(diào)當(dāng)前排放水平對(duì)環(huán)境和氣候的潛在影響。針對(duì)CO₂排放監(jiān)測(cè)，總結(jié)比較現(xiàn)有的CO₂排放監(jiān)測(cè)技術(shù)，為精確量化燃煤電廠CO₂排放提供技術(shù)支撐。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出燃煤電廠CO₂排放的減排優(yōu)化策略，從燃煤技術(shù)改進(jìn)、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，以及碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)和政策支持等方面，深入探討與分析，為電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型提供參考。

關(guān)鍵詞：燃煤電廠；CO₂排放；監(jiān)測(cè)；碳減排；策略

引言

在全球氣候變暖的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)下，燃煤電廠作為我國(guó)電力供應(yīng)的支柱，其二氧化碳（CO₂）排放問(wèn)題日益凸顯[1]。燃煤發(fā)電產(chǎn)生的大量CO₂排放不僅加劇了全球氣候變暖，還對(duì)生態(tài)環(huán)境和公眾健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此，深入了解燃煤電廠CO₂排放特征和趨勢(shì)，研發(fā)有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)，以及探索減排策略，成為實(shí)現(xiàn)我國(guó)電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的迫切任務(wù)。本文分析了燃煤電廠CO₂排放數(shù)據(jù)和特征，對(duì)現(xiàn)有CO₂排放監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了評(píng)述，并進(jìn)一步提出了燃煤電廠CO₂排放的減排優(yōu)化策略，旨在為燃煤電廠低碳轉(zhuǎn)型提供科學(xué)依據(jù)，推動(dòng)燃煤電廠的綠色升級(jí)，助力國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1 燃煤電廠CO₂排放現(xiàn)狀分析

1.1 燃煤電廠CO₂排放數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與趨勢(shì)分析

燃煤電廠是我國(guó)電力供應(yīng)的主要支柱，其CO₂排放量在國(guó)家總碳排放中占有較大比重。2023年，我國(guó)能源相關(guān)CO₂排放量為126億t，其中發(fā)電端占比超過(guò)40%，燃煤電廠供電CO₂排放強(qiáng)度顯著高于全國(guó)平均水平，這與《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》（簡(jiǎn)稱“十四五”規(guī)劃）的減排目標(biāo)存在巨大差距，凸顯了電力行業(yè)在實(shí)現(xiàn)碳減排方面的緊迫任務(wù)[2]。

在過(guò)去幾十年里，隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快和居民生活水平的提升，燃煤電廠的CO₂排放量隨著電力需求的增加而同步增長(zhǎng)。具體到時(shí)空分布，燃煤電廠的CO₂排放主要集中在華北、華東等能源消耗較大、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的地區(qū)，其與區(qū)域經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和電力需求關(guān)聯(lián)度較高。此外，隨著國(guó)家對(duì)可再生能源的大力推廣和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，部分地區(qū)的燃煤電廠CO₂排放量已經(jīng)開(kāi)始下降，反映出能源轉(zhuǎn)型的初步成效。但這些地區(qū)碳減排壓力依然巨大，要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期減排目標(biāo)，仍需進(jìn)一步的政策引導(dǎo)和技術(shù)革新。

燃煤電廠的CO₂排放現(xiàn)狀，凸顯了其在碳排放控制方面所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，同時(shí)也體現(xiàn)了政策引導(dǎo)和技術(shù)進(jìn)步在減緩排放增長(zhǎng)方面所發(fā)揮的積極作用。通過(guò)對(duì)燃煤電廠的CO₂排放特征和影響因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，可更好地為燃煤電廠碳減排優(yōu)化策略提供實(shí)證基礎(chǔ)，推動(dòng)我國(guó)燃煤發(fā)電行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型。

1.2 燃煤電廠CO₂排放影響因素分析

燃煤電廠的CO₂排放影響因素眾多，且相互交織，包括技術(shù)因素、經(jīng)濟(jì)因素、政策因素、環(huán)境因素等。

1.2.1技術(shù)因素對(duì)CO₂排放有直接影響

從技術(shù)角度看，燃煤電廠的CO₂排放與供電煤耗直接相關(guān)。在煤質(zhì)相近的前提下，提高發(fā)電效率、降低供電煤耗對(duì)燃煤電廠降低CO₂排放具有直接影響，主要通過(guò)采用超臨界和超超臨界技術(shù)來(lái)提高熱效率和發(fā)電效率，從而提升燃煤電廠的節(jié)能環(huán)保水平。此外，通過(guò)改造鍋爐實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)原料替代一部分燃煤、提高鍋爐效率、降低廠用電率等措施也能在源頭上減少CO₂的排放[3]。

1.2.2經(jīng)濟(jì)因素對(duì)CO₂排放有驅(qū)動(dòng)作用

隨著低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭?jī)r(jià)格、環(huán)保成本及清潔能源補(bǔ)貼等經(jīng)濟(jì)因素會(huì)促使燃煤電廠尋求更加清潔的發(fā)電方式。如，天然氣發(fā)電的碳排放遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)燃煤發(fā)電，隨著天然氣價(jià)格的下降，采用天然氣替代燃煤可大幅降低CO₂排放。我國(guó)大型電力集團(tuán)，如華電、華能、浙江能源、廣東能源等，通過(guò)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、降低煤電發(fā)電量及節(jié)能改造等，在實(shí)踐中驗(yàn)證了經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)下的減排效果。

1.2.3政策因素在CO₂排放控制中起著決定性作用

“十四五”規(guī)劃設(shè)定了明確的減排目標(biāo)，如單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO₂排放下降18%、單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低13.5%、非化石能源占比達(dá)到20%等。通過(guò)制定嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和減排指標(biāo)，促進(jìn)降碳技術(shù)創(chuàng)新、研發(fā)和應(yīng)用，設(shè)立電價(jià)補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠等經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策，建立和發(fā)展碳排放交易市場(chǎng)等措施，有效推動(dòng)了燃煤電廠CO₂排放控制，促進(jìn)了燃煤電廠的低碳轉(zhuǎn)型。

1.2.4環(huán)境因素對(duì)CO₂排放的影響不容忽視

隨著全球?qū)夂蜃兓年P(guān)注度提升，各國(guó)政府紛紛推出相應(yīng)政策，如包含《巴黎協(xié)定》在內(nèi)的國(guó)際協(xié)議，對(duì)全球氣溫上升幅度作出限制，不僅敦促各國(guó)采取行動(dòng)，也促使燃煤電廠積極尋求有效的減排策略。因此，為實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)，燃煤電廠嘗試采用新技術(shù)和新方法，以降低自身的排放水平。如，通過(guò)改進(jìn)燃燒技術(shù)、提高燃燒效率，減少單位發(fā)電量的CO₂排放；同時(shí)，積極探索和開(kāi)發(fā)清潔能源的替代方案，以逐步減少對(duì)燃煤的依賴。

由于燃煤電廠的CO₂排放受技術(shù)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)成本、政策引導(dǎo)和環(huán)境壓力多方面因素的影響，因而理解這些因素及其相互作用，既是制定有效減排策略的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)燃煤電廠綠色升級(jí)和我國(guó)CO₂排放長(zhǎng)期穩(wěn)定控制的必要步驟。

2 CO₂排放監(jiān)測(cè)技術(shù)及方法

2.1 傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法與現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)比較

燃煤電廠CO₂排放的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)是節(jié)能減排策略制定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法主要依賴于排放因子法，即通過(guò)統(tǒng)計(jì)燃煤量和燃料的碳含量來(lái)估算排放量[5]。這種方法簡(jiǎn)單易行，但存在一定的誤差，特別是在面對(duì)燃燒條件多變、煤質(zhì)參差不齊及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)差異明顯等復(fù)雜情況下，其精度和可靠性會(huì)受到較大影響。

相比之下，基于光學(xué)傳感技術(shù)的現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)，能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，顯著提高了自動(dòng)化程度，使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有更好的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。非分散紅外光譜技術(shù)（NDIR）、傅里葉變換紅外光譜技術(shù)（FTIR）和差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)（DIAL）就是基于光學(xué)傳感技術(shù)中的代表。其中，紅外光譜技術(shù)[6]基于煙氣中的CO₂分子對(duì)特定波長(zhǎng)紅外光的選擇吸收性來(lái)測(cè)量其濃度，具有精度高和響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)；激光雷達(dá)技術(shù)[7]基于激光與CO₂分子之間的相互作用，通過(guò)測(cè)量激光束在傳播過(guò)程中特定波長(zhǎng)光的吸收情況來(lái)解析其濃度，同時(shí)通過(guò)與遙感技術(shù)結(jié)合，可以形成多源數(shù)據(jù)融合的綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高區(qū)域CO₂排放監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

盡管現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步顯著提升了數(shù)據(jù)質(zhì)量，但它們?cè)诔杀?、安裝與維護(hù)復(fù)雜性及對(duì)運(yùn)行條件的適應(yīng)性上仍面臨著一些挑戰(zhàn)和限制。紅外光譜與激光雷達(dá)設(shè)備往往價(jià)格昂貴、初期投資成本較高，并對(duì)煙氣的光學(xué)條件有一定要求，如煙塵濃度和濕度可能影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此，在選擇監(jiān)測(cè)方案時(shí)，需綜合考慮技術(shù)成熟度、經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性和監(jiān)管要求，以確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性和實(shí)用性。

傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代技術(shù)的融合也被視為未來(lái)監(jiān)測(cè)策略的一種趨勢(shì)。如，結(jié)合排放因子法的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)，可以形成更加穩(wěn)健的排放評(píng)估體系，從而根據(jù)實(shí)際權(quán)衡精度、實(shí)時(shí)性、成本和適應(yīng)性等因素，來(lái)確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析方法

對(duì)燃煤電廠CO₂排放監(jiān)測(cè)過(guò)程所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的預(yù)處理和深入分析，不僅能揭示CO₂排放特征和識(shí)別排放趨勢(shì)，還能為減排策略制定提供依據(jù)。因此，本節(jié)將探討數(shù)據(jù)清洗、統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)建模和空間插值等適用于燃煤電廠CO₂排放數(shù)據(jù)的處理及分析方法。

2.2.1數(shù)據(jù)清洗

數(shù)據(jù)清洗是保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性的基礎(chǔ)步驟，包括檢查和處理異常值、缺失值、重復(fù)值及數(shù)據(jù)格式不一致等問(wèn)題。在燃煤電廠的CO₂排放數(shù)據(jù)中，異常值可能源于傳感器故障、設(shè)備維護(hù)期間的暫停監(jiān)測(cè)等，缺失值則可能來(lái)自于監(jiān)測(cè)設(shè)備的臨時(shí)故障或數(shù)據(jù)傳輸中斷?？上炔捎孟湫蛨D、3σ原則等統(tǒng)計(jì)方法來(lái)識(shí)別異常數(shù)據(jù)，再根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方法對(duì)異常數(shù)據(jù)和缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如均值插補(bǔ)、有效值填充等，以保證后續(xù)分析的準(zhǔn)確性。

2.2.2統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析是揭示CO₂排放特征的關(guān)鍵。針對(duì)單個(gè)燃煤電廠的排放數(shù)據(jù)，通過(guò)描述性統(tǒng)計(jì)分析，如計(jì)算平均值、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等，可揭示其排放水平和波動(dòng)程度。同時(shí)，可利用相關(guān)性分析來(lái)探索CO₂排放與燃煤量、發(fā)電量、熱效率等影響因素之間的關(guān)系。此外，還可以通過(guò)時(shí)間序列分析，如ARIMA模型或STL分解，來(lái)分析CO₂排放的季節(jié)性趨勢(shì)和潛在的周期性變化。

2.2.3趨勢(shì)建模

趨勢(shì)建?？捎糜谧R(shí)別和預(yù)測(cè)CO₂排放的長(zhǎng)期變化，有助于評(píng)估政策和技術(shù)進(jìn)步對(duì)排放趨勢(shì)的影響，以及預(yù)測(cè)在各種可能情景下的未來(lái)排放水平。常用的趨勢(shì)建模工具包括線性趨勢(shì)模型、曲線趨勢(shì)模型等。在實(shí)際應(yīng)用中，由于CO₂排放往往受到多種復(fù)雜因素的影響，采用指數(shù)模型或?qū)?shù)模型等曲線趨勢(shì)模型更為適用，能夠更準(zhǔn)確地捕捉排放趨勢(shì)的非線性變化特征。除了傳統(tǒng)的趨勢(shì)建模模型之外，支持向量機(jī)（SVM）和隨機(jī)森林（RF）的機(jī)器學(xué)習(xí)算法也得到了廣泛應(yīng)用，這種方法通過(guò)學(xué)習(xí)大量歷史數(shù)據(jù)中的規(guī)律，挖掘出隱藏在數(shù)據(jù)背后的復(fù)雜關(guān)系，并據(jù)此進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

2.2.4空間插值

空間插值技術(shù)用于處理多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其在燃煤電廠分布廣泛的場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用。通過(guò)空間插值，可將有限的點(diǎn)狀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擴(kuò)展到整個(gè)區(qū)域，揭示CO₂排放的地理分布特征。常用的空間插值方法包括克里金插值、反距離權(quán)重法（IDW）和線性內(nèi)插等，它們能幫助識(shí)別潛在的CO₂排放熱點(diǎn)區(qū)域，為制定區(qū)域性碳減排策略提供依據(jù)。

2.2.5小結(jié)

在實(shí)際應(yīng)用中，需要將上述方法綜合運(yùn)用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃煤電廠CO₂排放情況更全面、深入的認(rèn)識(shí)和理解。如，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和描述性統(tǒng)計(jì)，再通過(guò)時(shí)間序列分析識(shí)別短期和長(zhǎng)期趨勢(shì)，然后應(yīng)用空間插值揭示排放的空間分布，最后使用趨勢(shì)建模預(yù)測(cè)未來(lái)排放情景。這樣的多步驟分析流程有助于從不同角度刻畫(huà)燃煤電廠CO₂排放特征，為碳減排策略的制定和實(shí)施提供全面的科學(xué)支持。

3 燃煤電廠減少CO₂排放的優(yōu)化策略研究

燃煤電廠減少CO₂排放的優(yōu)化策略是實(shí)現(xiàn)全球氣候目標(biāo)和我國(guó)減排承諾的關(guān)鍵。本節(jié)將從燃煤技術(shù)改進(jìn)、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，以及碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)和政策支持等方面來(lái)探討燃煤電廠減少CO₂排放的路徑。

3.1改進(jìn)燃煤技術(shù)降低CO₂排放量

針對(duì)燃煤電廠自身減碳，主要關(guān)注提升燃燒效率、強(qiáng)化煤炭清潔利用等技術(shù)，旨在通過(guò)技術(shù)革新從源頭上減少煤炭用量、降低碳排放。對(duì)于燃煤電廠來(lái)說(shuō)，提高蒸汽溫度是提升效率的重要途徑，如超超臨界機(jī)組和超超臨界二次再熱機(jī)組供電煤耗可遠(yuǎn)低于國(guó)家要求的310g/kWh[8]。從煤炭清潔利用角度，整體煤氣化燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)技術(shù)（IGCC）是潔凈煤發(fā)電技術(shù)中的佼佼者[9]，被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ陌l(fā)電方式之一。該技術(shù)通過(guò)煤氣化、凈化、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，不但能實(shí)現(xiàn)煤炭的完全清潔利用，而且其聯(lián)合循環(huán)效率顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的燃煤機(jī)組，展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景和環(huán)保價(jià)值。

3.2調(diào)整能源結(jié)構(gòu)降低化石燃料CO₂排放量

從能源結(jié)構(gòu)上看，通過(guò)將太陽(yáng)能、風(fēng)能等波動(dòng)大且間歇性強(qiáng)的可再生能源與具備穩(wěn)定性、系統(tǒng)性優(yōu)勢(shì)的燃煤系統(tǒng)相耦合[10]，不僅能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的綜合利用效率，還能有效降低化石燃料碳排放。此外，將生物質(zhì)、污泥與燃煤進(jìn)行混燒發(fā)電，利用現(xiàn)有燃煤機(jī)組清潔、高效的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能使發(fā)電效率較生物質(zhì)、污泥單獨(dú)燃燒發(fā)電顯著提高，既有助于降低CO₂排放又能實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。

3.3應(yīng)用碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)減排CO₂

對(duì)燃煤電廠排放煙氣應(yīng)用CCUS技術(shù)，是在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)以煤為主的現(xiàn)實(shí)情況下減排CO₂的重要手段，對(duì)于電力企業(yè)適應(yīng)技術(shù)和市場(chǎng)變化至關(guān)重要[11]。根據(jù)燃煤煙氣中CO₂分離方法的不同，碳捕集技術(shù)可分為化學(xué)吸收法、吸附法、膜分離法等。將煙氣中捕集分離的CO₂進(jìn)一步資源化利用或加以封存，如CO₂礦化利用、CO₂電催化制備化學(xué)品和化學(xué)燃料、CO₂生物轉(zhuǎn)化利用，以及CO₂驅(qū)油、CO₂海洋封存等，可有望實(shí)現(xiàn)CO₂的大規(guī)模消納和CCUS項(xiàng)目的可持續(xù)化運(yùn)行。

3.4完善政策支持燃煤電廠減少CO₂排放

在政策層面，政府的引導(dǎo)和激勵(lì)機(jī)制，對(duì)于燃煤電廠的減排優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。設(shè)立明確的減排目標(biāo)和要求，采用先進(jìn)的碳減排技術(shù)和措施，推動(dòng)燃煤電廠積極開(kāi)展技術(shù)升級(jí)和改造。制定激勵(lì)機(jī)制，推動(dòng)燃煤電廠的碳減排優(yōu)化，如優(yōu)先上網(wǎng)收購(gòu)、電價(jià)補(bǔ)貼等政策，推動(dòng)可再生能源的發(fā)展；碳排放交易市場(chǎng)則提供經(jīng)濟(jì)激勵(lì)，提升燃煤電廠減少碳排放的動(dòng)力。

結(jié)論

綜上所述，首先通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，揭示了燃煤電廠CO₂排放的時(shí)空分布及其與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；其次對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的基于排放因子的統(tǒng)計(jì)估算方法和基于光學(xué)傳感技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的CO₂排放監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行評(píng)述，如紅外光譜、激光雷達(dá)等，并在監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出燃煤電廠減少CO₂排放的優(yōu)化策略；最后通過(guò)綜合分析得出應(yīng)結(jié)合技術(shù)進(jìn)步、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整及政策引導(dǎo)，優(yōu)化燃煤電廠的碳減排策略。因此，通過(guò)燃煤電廠的綠色升級(jí)，可提高電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展水平，能在滿足能源需求的同時(shí)控制 CO₂排放的長(zhǎng)期穩(wěn)定，為全球氣候目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出貢獻(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介

尤晨昱（1992—），女，漢族，安徽無(wú)為人，工程師，碩士，研究方向?yàn)閮x表與控制。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-06-19