CN110044852A - 基于激光诱导击穿光谱法的燃煤电厂碳排放在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于激光诱导击穿光谱法的燃煤电厂碳排放在线监测方法，该方法包括以下步骤：S1、获取电厂已知数据，S2、使用LIBS方法连续在线测量燃煤含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量，S3、计算燃煤碳氧化率，S4、计算电厂碳排放率和碳排放总量。本发明利用LIBS方法在线测量燃煤含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量来计算燃煤的碳氧化率，根据碳平衡计算式，获得燃煤电厂的碳排放率和碳排放总量。将LIBS检测方法结合碳平衡法，可实现连续在线测量，具有分析速度快、灵敏度高、无需制备样品、可分析不均匀样品、可远程检测等优点，同时可在线获取更加精确可靠的实时碳排放数据，为二氧化碳减排奠定了基础。

Description

基于激光诱导击穿光谱法的燃煤电厂碳排放在线监测方法

技术领域

本发明涉及碳排放监测技术领域，特别是涉及基于激光诱导击穿光谱法的燃煤电厂碳排放在线监测方法。

背景技术

我国是世界最大的二氧化碳排放国。其中，燃煤发电行业二氧化碳排放占全国总排放量的40％，是未来CO₂减排的重点。无论是进行碳交易，还是进行二氧化碳减排，都依赖于准确的碳排放监测体系，以获取精确的碳排放数据。

当前，我国燃煤电厂使用《中国发电企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》推荐的排放因子法来计算CO₂排放量。由于燃料类型，燃烧方式，机组容量，机组实际负荷，机组使用维护等对实际排放因子影响较大，而排放因子法根据燃煤种类选取的缺省排放因子并不能反映这些因素的影响。因此，排放因子法估算结果的精确度有待提高。

目前，为获得比较精确的二氧化碳排放数据，许多研究机构采用基于碳平衡的精确数学模型来估算，如EU ETS(欧盟碳排放交易体系)就以碳平衡法为标准计算方法。虽然碳平衡法比较精确，但仍存在以下2个问题：1.我国燃煤电厂缺乏燃煤元素分析数据(燃煤含碳量)；2.我国燃煤电厂对飞灰含碳量、炉渣含碳量多采用传统的化学灼烧失重法测量，该方法①理论上还包括S、N等的失重，测得的含碳量比实际值高；②整体取样测量周期长，不能满足连续在线测量的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术上的缺陷，提供一种基于激光诱导击穿光谱法的燃煤电厂碳排放在线监测方法，该方法通过连续在线测量燃煤含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量，可计算二氧化碳实时排放，是一种适应我国燃煤电厂实际情况、可连续在线的二氧化碳排放监测方法。

本发明的目的至少通过如下技术方案实现。

基于激光诱导击穿光谱法的燃煤电厂碳排放在线监测方法，所述方法包括以下步骤：

S1、从电厂获取已知数据；

所述已知数据包括燃煤质量流量、煤种、锅炉型式和燃煤收到基灰分。燃煤质量流量可以采用电容法测量。

S2、使用LIBS方法连续在线测量燃煤含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量；

使用LIBS方法测量样品的碳谱线强度I_C、硅谱线强度I_Si、铝谱线强度I_Al、铁谱线强度I_Fe。根据样品种类(分燃煤、飞灰、炉渣三种)将四种元素谱线强度值代入对应的含碳量线性回归方程(分燃煤、飞灰和炉渣)中，计算出样品的含碳量。

S3、计算燃煤碳氧化率；

将燃煤含碳量、飞灰含碳量、炉渣含碳量、燃煤收到基灰分、飞灰和炉渣的分配比代入碳氧化率的计算公式中，获得燃煤的碳氧化率。

S4、计算电厂碳排放率和碳排放总量。

基于碳平衡原理，由碳氧化率、燃煤质量流量和燃煤含碳量，计算得燃煤电厂碳排放率和碳排放总量。进一步地，所述步骤S2中的燃煤含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量的线性回归方程如下：

C＝a_C/Si+b_C/SiI_C/Si+b_Al/SiI_Al/Si+b_Fe/SiI_Fe/Si

式中，C为样品含碳量且可以由飞灰含碳量C_fh、炉渣含碳量C_lz和燃煤收到基含碳量C_c代替；a_C/Si、b_C/Si、b_Al/Si、b_Fe/Si为四个回归系数；I_C/Si为碳硅强度比，即碳谱线强度与硅谱线强度之比；I_Al/Si为铝硅强度比，即铝谱线强度与硅谱线强度之比；I_Fe/Si为铁硅强度比，即铁谱线强度与硅谱线强度之比。

进一步地，所述的步骤S2的燃煤、飞灰和炉渣含碳量线性回归方程是通过以下步骤获得的：

S21、使用传统的化学灼烧失重法测量燃煤、飞灰和炉渣定标样品集的含碳量，燃煤、飞灰和炉渣定标样品集各包含n个子样；LIBS方法，即通过激光击打样品产生等离子体并发出光辐射，由光谱仪接收进行光谱分析，获得各元素谱线强度的方法。使用LIBS方法获得所有定标样品的碳、硅、铝、铁元素谱线强度，这四种元素谱线是通过相关性分析，选取的同类型谱线中与含碳量相关性最高的谱线；计算定标样品的I_C/Si、I_Al/Si、I_Fe/Si。

S22、将S21中获得的I_C/Si、I_Al/Si和I_Fe/Si作为定标数据，按样品类型(燃煤、飞灰或炉渣)依据前述线性回归方程形式进行线性回归，X表示自变量数据，Y表示因变量数据。X和Y分别为：

S23、分别对燃煤含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量定标样本数据进行逐步回归分析，确定各个方程的全部回归系数，获得燃煤含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量的线性回归方程。

进一步地，所述的步骤S3的碳氧化率计算公式如下：

式中，OF为碳氧化率，C_fh为飞灰含碳量，A_ar为燃煤收到基灰分，δ_fh为飞灰中的灰量占入炉燃料总灰分的质量份额，C_lz为炉渣含碳量，δ_lz为炉渣中的灰量占入炉燃料总灰分的质量份额，C_c为燃煤收到基含碳量，为机组除尘效率。其中，δ_fh+δ_lz＝100％，具体依据炉型在《中国发电企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》取值：煤粉炉δ_lz取10％，W型火焰炉液态排渣炉取15％，循环流化床炉、液态排渣炉δ_lz取40％。机组除尘效率取100％。

进一步地，所述的步骤S4的碳排放率和碳排放总量计算具体如下：

式中，为二氧化碳排放率(kgCO₂/s)，m为燃煤质量流量(kg/s)，44/12为C与CO₂的换算系数。

式中，V_CO2为二氧化碳排放总量(kg)，为i时刻的二氧化碳排放率(kgCO₂/s)。

本发明相对于现有技术具有以下的优点及效果：

(1)本发明将激光诱导击穿光谱法用于测量燃料、飞灰和炉渣的含碳量，结合燃煤质量流量等电厂现有数据，在线计算出实时的二氧化碳排放数据。相对于目前我国通用的采用缺省排放因子的计算方法，该方法的计算结果更加精确可靠，顺应了在线监测的大趋势，有助于燃煤电厂的二氧化碳减排。

(2)本发明可连续在线监测碳排放，相比于当前以月为区间的排放总量计算，该方法可获得实时的碳排放率，通过研究实时排放率的差异及其来源，可获得最优的电厂运行条件，这对于电厂碳减排有重要意义。

(3)使用激光诱导击穿光谱法测量，可实现连续在线测量，具有分析速度快，灵敏度高，无需制备样品，可分析不均匀样品，可远程检测等优点。

附图说明

图1为本发明中公开的基于激光诱导击穿光谱法的燃煤电厂碳排放在线监测方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施做进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或符号，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。

实施例

本方法用碳氧化率来表示C元素在燃烧过程中的转化比例，基于质量守恒定律以燃料含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量来计算碳氧化率，然后通过燃烧的C计算出排放的CO₂。燃烧过程中，虽然会产生CO，但CO在环境中最终会氧化成CO₂，本方法已将CO计算在内。

激光诱导击穿光谱法不需要制备样品、能分析不均匀样，可直接在物料流中在线测量燃煤含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量，是本发明可在线监测的基础。

具体实施步骤包括：

S1、从电厂中获取已知数据；

所需数据包括燃煤质量流量、煤种、锅炉型式和燃煤收到基灰分。电厂有燃煤工业分析数据(包含燃煤收到基灰分)，煤种和锅炉型式容易获取，燃煤质量流量可以采用电容法测量。

S2、使用LIBS方法连续在线测量燃煤含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量；

S21、使用传统的化学灼烧失重法测量燃煤、飞灰和炉渣定标样品集的含碳量，燃煤、飞灰和炉渣定标样品集各包含n个子样；LIBS方法，即通过激光击打样品产生等离子体并发射出光辐射，由光谱仪接收进行光谱分析，获得各元素谱线强度的方法。使用LIBS方法获得所有定标样品的碳、硅、铝、铁元素谱线强度，这四种元素谱线是通过相关性分析，选取的同类型谱线中与含碳量相关性最高的谱线；计算定标样品的I_C/Si(碳硅强度比)、I_Al/Si(铝硅强度比)、I_Fe/Si(铁硅强度比)。

S22、将S21中获得的I_C/Si、I_Al/Si、I_Fe/Si作为定标数据，按样品类型(燃煤、飞灰或炉渣)进行线性回归分析，X表示自变量数据，Y表示因变量数据。X和Y分别为：

S23、燃煤含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量的回归方程形式均如下：

C＝a_C/Si+b_C/SiI_C/Si+b_Al/SiI_Al/Si+b_Fe/SiI_Fe/Si

式中，C为样品含碳量且可以由飞灰含碳量C_fh、炉渣含碳量C_lz和燃煤收到基含碳量C_c代替；a_C/Si、b_C/Si、b_Al/Si、b_Fe/Si为四个回归系数；I_C/Si为碳硅强度比，即碳谱线强度与硅谱线强度之比；I_Al/Si为铝硅强度比，即铝谱线强度与硅谱线强度之比；I_Fe/Si为铁硅强度比，即铁谱线强度与硅谱线强度之比。

依照上述回归方程式分别对燃煤含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量定标样本数据进行逐步回归分析，确定各个方程的全部回归系数，获得燃煤含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量的线性回归方程。

可以使用MATLAB仿真软件分别对燃煤含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量定标样本数据使用stepwise(X，Y)命令进行逐步回归分析，确定各个方程的全部回归系数。

S24、使用LIBS方法测量样品的碳谱线强度I_C、硅谱线强度I_Si、铝谱线强度I_Al、铁谱线强度I_Fe。根据样品的种类(分燃煤、飞灰、炉渣三种)将四种元素谱线强度值代入对应的含碳量线性回归方程(分燃煤、飞灰和炉渣)中，计算出样品的含碳量。

S3、计算碳氧化率；

将连续测量的燃煤含碳量、飞灰含碳量、炉渣含碳量以及燃煤收到基灰分、飞灰和炉渣的分配比代入碳氧化率的计算公式中，获得燃煤的碳氧化率。计算公式如下：

式中，OF为碳氧化率，C_fh为飞灰含碳量，A_ar为燃煤收到基灰分，δ_fh为飞灰中的灰量占入炉燃料总灰分的质量份额，C_lz为炉渣含碳量，δ_lz为炉渣中的灰量占入炉燃料总灰分的质量份额，C_c为燃煤收到基含碳量，为机组除尘效率。其中，δ_fh+δ_lz＝100％，具体依据炉型在《中国发电企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》取值：煤粉炉δ_lz取10％，W型火焰炉液态排渣炉取15％，循环流化床炉、液态排渣炉δ_lz取40％。由于当前电厂除尘效率极高，一般取100％。

S4、计算电厂碳排放率和碳排放总量：

将碳氧化率、燃煤质量流量、燃煤含碳量代入公式，计算出燃煤电厂的碳排放率和碳排放总量。计算公式是：

式中，v_CO2为二氧化碳排放率(kgCO₂/s)，m为燃煤质量流量(kg/s)，44/12为C与CO₂的换算系数。

式中，为二氧化碳排放总量(kg)，为i时刻的二氧化碳排放率(kgCO₂/s)。

如上所述，便可较好地实现本发明。

以上的实施例仅仅是对发明的优选实施方式进行描述，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出多个变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.基于激光诱导击穿光谱法的燃煤电厂碳排放在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、从电厂获取已知数据；

所述已知数据包括燃煤质量流量、煤种、锅炉型式和燃煤收到基灰分；

S2、使用激光诱导击穿光谱法(LIBS)方法连续在线测量燃煤含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量；

使用LIBS方法测量样品的碳谱线强度I_C、硅谱线强度I_Si、铝谱线强度I_Al、铁谱线强度I_Fe；根据样品种类(分燃煤、飞灰、炉渣三种)将四种元素谱线强度值代入对应的含碳量线性回归方程(分燃煤、飞灰和炉渣)中，计算出样品的含碳量；

S3、计算燃煤碳氧化率；

将燃煤含碳量、飞灰含碳量、炉渣含碳量、燃煤收到基灰分、飞灰和炉渣的分配比代入碳氧化率的计算公式中，获得燃煤的碳氧化率；

S4、计算电厂碳排放率和碳排放总量；

基于碳平衡原理，由碳氧化率、燃煤质量流量和燃煤含碳量，计算得燃煤电厂碳排放率和碳排放总量。

2.如权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱法的燃煤电厂碳排放在线监测方法，其特征在于，所述的步骤S2中的燃煤收到基含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量的线性回归方程均如下：

C＝a_C/Si+b_C/SiI_C/Si+b_Al/SiI_Al/Si+b_Fe/SiI_Fe/Si

式中，C为样品含碳量且可以由飞灰含碳量C_fh、炉渣含碳量C_lz和燃煤收到基含碳量C_c代替；a_C/Si、b_C/Si、b_Al/Si、b_Fe/Si为四个回归系数；I_C/Si为碳硅强度比，即碳谱线强度与硅谱线强度之比；I_Al/Si为铝硅强度比，即铝谱线强度与硅谱线强度之比；I_Fe/Si为铁硅强度比，即铁谱线强度与硅谱线强度之比。

3.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱法的燃煤电厂碳排放在线监测方法，其特征在于，所述的步骤S3的碳氧化率计算公式如下：

式中，OF为碳氧化率，C_fh为飞灰含碳量，A_ar为燃煤收到基灰分，δ_fh为飞灰中的灰量占入炉燃料总灰分的质量份额，C_lz为炉渣含碳量，δ_lz为炉渣中的灰量占入炉燃料总灰分的质量份额，C_c为燃煤收到基含碳量，为机组除尘效率。

4.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱法的燃煤电厂碳排放在线监测方法，其特征在于，所述的步骤S4的碳排放率和碳排放总量计算公式如下：

式中，为二氧化碳排放率(kgCO₂/s)，m为燃煤质量流量(kg/s)，44/12为C与CO₂的换算系数；

式中，为二氧化碳排放总量(kg)，为i时刻的二氧化碳排放率(kgCO₂/s)。

5.根据权利要求2所述的基于激光诱导击穿光谱法的燃煤电厂碳排放在线监测方法，其特征在于，所述的步骤S2的燃煤、飞灰和炉渣含碳量线性回归方程是通过以下步骤获得的：

S21、使用传统的化学灼烧失重法测量燃煤、飞灰和炉渣定标样品集的含碳量，燃煤、飞灰和炉渣定标样品集各包含n个子样；使用LIBS方法获得所有定标样品的碳、硅、铝、铁元素谱线强度，这四种元素谱线是通过相关性分析，选取的同类型谱线中与含碳量相关性最高的谱线；计算定标样品的I_C/Si、I_Al/Si和I_Fe/Si；

S22、将S21中获得的I_C/Si、I_Al/Si和I_Fe/Si作为定标数据，按样品类型(燃煤、飞灰或炉渣)依据前述线性回归方程形式进行线性回归，X表示自变量数据，Y表示因变量数据；X和Y分别为：

S23、分别对燃煤含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量定标样本数据进行逐步回归分析，确定各个方程的全部回归系数，获得燃煤含碳量、飞灰含碳量和炉渣含碳量的线性回归方程。