基于文献计量的燃煤电厂碳排放研究进展.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()中国博士后科学基金项目()作者简介:陈亚梅()女陕西榆林人硕士研究生研究方向:能源地理与可持续发展研究.通讯作者:姜璐:.辽宁大学学报 自然科学版第 卷 第 期 年 .基于文献计量的燃煤电厂碳排放研究进展陈亚梅姜 璐严 萌史晓楠李德英(.青海省人民政府 北京师范大学 高原科学与可持续发展研究院青海 西宁.青海师范大学 青藏高原地表过程与生态保育教育部重点实验室青海 西宁.北京师范大学 地理科学学部北京.中国科学院 东北地理与农业生态研究所吉林 长春.黄河西宁热电有限责任公司青海 西宁)摘 要:燃煤电厂是全球二氧化碳排放的主要贡献者燃煤电厂碳排放研究具有学科交叉性的同时又具有系统性和复杂性关于全面阐述燃煤电厂碳排放的研究进展与不足鲜有报道.为此本文应用 对国内外相关研究进行分析阐明了燃煤电厂碳排放的研究现状与方法并对其进行了综述.研究发现:)对燃煤电厂碳减排计量研究已有了初步进展但从技术层面减排的研究仍然不足)燃煤电厂碳减排研究内容丰富研究尺度涵盖国家、地区、城市主要分析各决策单元的能源效率和二氧化碳减排的可行性同时分别研究了燃煤电厂不同机组的减排效益)研究方法包括燃煤电厂的净零排放技术、碳交易、碳税等政策控制或运营管理)燃煤电厂碳减排研究多集中于燃烧阶段的计算而从全生命周期的角度研究较少.文章建议未来可从全生命周期的角度计算碳排放提高机组燃烧效率的技术为实现碳中和作贡献.关键词:燃煤电厂碳排放文献计量碳减排措施碳中和中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:).).).).:引言温室气体()是导致全球变暖的重要因素联合国政府间气候变化专门委员会()发布的最新报告显示 年全球温室气体年平均排放量处于人类历史上的最高水平.报告强调将全球变暖的温度限制在.以内.年 月中国在联合国大会上向世界宣布了在 年前实现碳达峰、年前实现碳中和即实现“双碳”目标.京都议定书中限排温室气体包括二氧化碳()、甲烷()、氢氟碳化物()等.国际能源署()的数据显示 年全球 排放量上升了.中国 排放量上升了.其中煤炭作为重要的化石能源在燃煤发电中占很大比例.年中国煤炭消费量增长了.中国和印度合计占全球煤炭消费量的 排放的温室气体约占世界温室气体的.如果将美国加入其中这三个国家占全球 的煤炭消耗量和 的温室气体排放量.长期以来中国电力生产以火电为主发电装机总量中火电占比一直在 以上发电量中火电占比一直在 左右.同时新能源的间歇性、波动性和随机性对电力系统的安全造成威胁.因此在碳中和战略目标下也需要维持一定的煤电装机容量.另一方面当前面临紧张的国际局势俄乌冲突造成了欧盟国家燃气储量不足不得不重启已停用的燃煤电厂.可见在短期内全球仍以燃 辽宁大学学报 自然科学版 年 煤发电为主.因此如何实现燃煤电厂碳减排成为迫切需要关注的研究.燃煤电厂 排放源包括化石燃料(燃油辅助用油)燃烧、脱硫、脱硝、除尘和外购电力碳排放为实现减排目标各国科研单位、火力发电单位等纷纷开展一系列研究.本文从综述角度对国内外燃煤电厂碳排放的文献进行研究采用“主观文献归纳 客观文献计量”的方式对国内外 篇文献进行定量识别和定性解读述评了基于地理学视角燃煤电厂碳排放的研究内容、数据和方法等重点分析清洁燃煤技术()、碳汇及碳捕集、利用与封存()等优势技术以期为燃煤电厂碳排放研究的系统化和国际化发展提供有益参考.数据来源与研究方法.数据来源文献数据主要来源于中国知网()和 核心数据库().以“燃煤电厂(火电厂)碳排放”和“燃煤电厂(火电厂)碳减排”作为检索词检索范围限定在核心期刊和硕博论文在 共检索到相关文献 篇时间范围是 年(第 篇论文发表于 年).的检索条件为 ()()文献类型包括文章、综述等定性和定量文献共选出核心数据集中相关文献 篇.其中 年中国学者共发表 篇外国学者发表 篇.研究方法本文使用 文献计量分析软件分别选择作者()、机构()、关键词()、国家()、期刊共被引()等类别通过 的关联强度算法对燃煤电厂碳排放进行网络可视化、叠加可视化、密度可视化分析.同时使用 对发文量进行数据的统计与分析并进行二次制图.使用文献可视化分析得到的知识图谱来描述燃煤电厂碳排放相关课题的研究现状、热点与前沿和发展趋势研究流程如图 所示.图 研究流程图 文献时空分布.文献空间分布情况本文通过分析燃煤电厂碳排放文献的全球空间分布情况揭示了燃煤电厂碳排放研究的国家和地区.总的来说美国在燃煤电厂碳排放的研究领域处于首位共发表了 篇文献.其次是中国共发表了 篇文献.此外除中国、美国、加拿大、澳大利亚等能源需求和碳排放量巨大的国家之外其他发达国家和地区也是研究主力如东南亚和欧洲部分国家.第 期 陈亚梅 等:基于文献计量的燃煤电厂碳排放研究进展.文献时间统计分析分析国内外年度发文数量能够宏观把控火电厂碳排放文献发表情况.图 给出了发文量的逐年分布情况.从国内来看 年 参加了在瑞士召开的第 届温室气体控制技术国际会议()并发表了中国在火电碳排放研究领域的第一篇论文.根据发文量可以将研究过程分为 个阶段:年为起始阶段学者对这一领域的研究尚少.年际间发文量虽有小的波动但总体呈递增趋势年均文献不超过 篇但 年没有相关文献 年发文量呈现缓慢增长趋势主要得益于 年中国政府向国际社会郑重承诺要加快转变发展方式努力控制温室气体排放这一期间学者们致力于对碳排放最大的部门 燃煤电厂展开相关研究 年发文量呈直线上升趋势巴黎协定的签订促发了中国学者对燃煤电厂碳减排的研究兴趣.从国外来看 年美国学者 及其团队在 期刊发表了一篇文章他们认为节能措施和从化石能源向可再生能源的转变具有长期减排潜力关注到煤炭燃烧是 主要来源.本文根据文献增长速度分两个阶段进行分析:第一阶段(年)处于缓慢发展阶段 年联合国气候变化框架公约的签订促使各国政府和学者都致力于将温室气体浓度维持在一个稳定的水平由此该研究受到广泛关注第二阶段(年)处于快速波动上升的阶段此阶段年均发文量为 篇占总发文量的.多项国际协议签订后由于各国政府、机构、非政府组织等多方面的重视学者们越来越关注燃煤电厂碳排放主题.国外的发文量多于国内且发文时间早于国内.年国外学者已经在燃煤电厂碳排放领域有所研究而国内对此领域的研究最早开始在 年起步相对较晚.但在近年来国内的发文总量与国外的发文总量相差无几 年和 年的发文量已经超过了其他国家.图 年国内外发文量分析 合作网络分析由 软件制作的国家之间的合作网络如图 所示.节点大小与发表的论文数量成正比连接线表示两国之间的合作关系密切程度.从图 可以看到作者所属国家之间的关系连接线表示两个国家的学者相互合作.越靠近图中间说明对燃煤电厂碳排放研究贡献越大.从图 还可以看出中国、美国、英国、德国、澳大利亚等国家对此领域作出了重要贡献.将国家间 辽宁大学学报 自然科学版 年 的最小合作次数设为 在所有 个国家中筛选出 个符合国家条件的.通过聚类分析可以将这些国家分为 类第一类包括比利时、巴西、丹麦、德国、印度、挪威、葡萄牙和南非.以德国为中心和周边小国以及较大的发展中国家形成合作网络且德国对其他国家的研究起到引导和支持的作用.第二类包括澳大利亚、印度尼西亚、日本、马来西亚、巴基斯坦、新加坡、韩国和越南主要为亚洲国家.同一大陆或联盟国家在燃煤电厂碳排放上的合作研究较多.第三类包括英国、芬兰、希腊、波兰、西班牙和瑞典.这类国家把更多的研究精力放在环境管理和影响生活质量的问题上.第四类包括澳大利亚、法国、意大利、荷兰、瑞士等发达国家.第五类是最大的能源消费和主要的碳排放国家包括中国和美国.美国在该领域的发文量最多说明美国对该课题的研究投入较多.第六类包括加拿大、泰国、土耳其.图 国家共现网络图 研究热点和趋势.国内关键词与研究热点根据关键词在文献中出现的频率提取背后的概念并直接捕获共现关系构建分析结构展现了不同关键词之间的网络关系.本文将关键词最小出现次数设置为 次.最终在所有 个关键词中有 个满足阈值.在图 中圆圈的大小代表关键词出现次数的多少.其中高出现次数的关键词通常具有较高的连接强度.关键词聚类将研究热点分为 类.一是总述燃煤电厂碳减排(聚类).包括碳排放计算方法和碳捕集方法如索新良等应用碳排放因子计算了 年某电厂的碳排放并对影响因素进行了研究分析了碳减排的可能性.张力为等阐释了目前现有的碳捕集方法指出目前碳捕集方法包括燃烧前捕集技术、燃烧后捕集技术、富氧燃烧技术和空气直接捕集 技术.目前学者们应用不同方法对碳排放进行了计算但不妥的是在计算方法因子的选择中很难完全切合燃煤电厂的实际情况.二是燃煤电厂具体减排措施(聚类).已有研究方法主要包括煤气化循环技术()、微藻、碳捕集与封存.张斌等应 第 期 陈亚梅 等:基于文献计量的燃煤电厂碳排放研究进展 图 国内关键词聚类分析用 模型对比分析了燃煤电厂、()和煤气化 固体氧化物燃料电池()混合循环 类电厂的碳排放量.在微藻减排技术方面龚勋等和厉雄峰等 分别研究了微藻减排技术的可行方案.在碳捕集和碳封存方面魏宁等认为未来实施碳捕集与封存的燃煤电厂与燃气发电和风能发电相比具有一定成本优势.尽管中国对燃煤电厂碳减排研究比较全面和成熟但关于碳捕捉与封存的研究仍处于工程示范阶段.三是关于全生命周期法和碳捕捉技术分析(聚类).刘韵等量化了山西某燃煤电厂的全生命周期碳排放发现虽然燃烧阶段具有巨大减排潜力但其他阶段的碳排放也不容忽视.夏德建运用我国煤电链燃煤碳排放的总模型分析了各个环节的碳排放现状详细介绍了各个过程产生的碳排放量.从碳捕捉技术 富氧燃烧来看鞠佳认为富氧燃烧技术目前满足商业化需求较困难因为氧气制造成本较高.四是分析经济政策对碳成本核算的影响(聚类).张弘认为碳税、碳交易增加了企业成本应健全企业的成本控制体系将碳税、碳交易等科目纳入企业会计核算中.李薇等构建了碳交易的随机规划模型以此来寻找企业的最大收益与碳排放的平衡点.常凯等应用实物期权模型来分析碳捕捉技术创造的期权价值从而来分析实施碳交易与碳捕捉的可行性.五是对碳交易的具体分析(聚类).该类研究包括、计算模型等具体内容.祖国海等应用 模型模拟不同的碳交易价格对发电量和碳排放的影响.马瑞等应用 模型分析煤耗成本和碳排放特征.因此面临碳交易市场的逐步成熟高碳排放的燃煤电厂该如何降低成本也成为不得不面对的现实问题.六是在燃煤电厂系统动力分析方面(聚类).学者围绕电煤供应链、系统动力学等问题开展研究.白玉莲等对燃煤电厂循环水泵进行优化来降低电耗同时建立了凝汽器与汽轮机背压变工况计算模型来分析机组的最佳背压运行的碳减排量研究指出碳减排不仅需要关注煤炭燃烧的源头减量和碳捕集技术的末端处置关于机组运行过程中提升燃煤效率的研究也很重要.国内燃煤电厂碳排放研究总结总结国内文献学者的研究内容主要包括(图):)碳排放的计算方法有物料平衡法、实测法、排放因子法和全生命周期法)技术减排措施有洁净煤技术、碳捕捉与封存技术、微藻生物固碳等.这些技术的研发与应用使得燃煤电厂碳排放问题得以解决)政策控制方面有碳交易、碳税、实物期权等方法.年我国全面启动了碳交易市场对燃煤电厂碳减排更有利.辽宁大学学报 自然科学版 年 图 国内燃煤电厂碳减排措施.国外关键词与研究热点将关键词最小出现次数设置为 次有 个满足阈值.本文运用这 个关键词计算与其他关键词共现连接的总强度.最后选取总连接强度最大的关键词.通过聚类分析可以将关键词分为 类.每个聚类标注在图 中圆圈的大小代表关键词的出现次数的高低高出现次数通常具有较高的连接强度.关键词聚类将当前燃煤电厂碳排放的研究内容分为 类.图 国外关键词聚类分析 第 期 陈亚梅 等:基于文献计量的燃煤电厂碳排放研究进展 一是燃煤电厂碳减排的经济成本(聚类).其关键词包括碳价、碳税、温室气体、电力需求和可再生能源等.等提出了将先进的电力循环与钙循环燃烧()相结合实现降低 排放和电力成本可承受的高效发电评估了碳税对经济绩效的影响.等综述了集中太阳能发电()技术及燃煤电厂混合方案的性能建模和优化研究.等评估了美国 减少得益于新能源和天然气的替代.等研究了煤与生物质焦协同利用对排放特性的协同效应从而减少温室气体排放.等基于熔融碳酸型燃料电池()的主动系统与常规乙醇胺()的两种方案在能源和环境性能方面进行了对比.在这个聚类中学者们围绕减排措施的经济性以及其环境成本进行研究.此外可再生能源与化石能源之间多能互补的能源系统、多能互补的分布式能源系统和化工动力多联产系统等低碳能源动力系统也是当前碳减排关键技术研究的重点方向.二是燃煤电厂的减排技术(聚类)主要包括净零排放技术和碳捕捉技术.等分析了燃煤电厂对全球排放有害污染物形成的影响并说明当前碳捕集技术是有力的减排方法指出未来技术最重要的是用于 减排的富氧燃烧的煤粉锅炉()和 技术.等为了减少 排放量建议提高效率并整合碳捕获和储存().等比较了亚临界和超临界电厂的能源和排放性能评估了不同比例的生物质共烧的影响分析了 捕捉的性能.三是净零排放技术和碳捕捉技术(聚类).净零排放技术是通过提高能源效率来减少碳排放将超临界机组与循环流化床锅炉()燃烧相结合来提高燃煤效率.研究指出目前碳捕捉技术主要有燃烧前捕捉、富氧燃烧和燃烧后捕捉.四是燃煤电厂烟气排放的环境效应(聚类).包括空气污染、烟道气、吸附作用、等有害气体.等分析了、和 的估计排放量以及对公众健康的影响综述多种空气污染物协同控制物理技术分析了有助于控制空气污染成本效益的先进技术.等分析了美国、和 的估计排放量反弹结果表明与没有相关政策相比能源燃烧增加了 和 排放量.国外燃煤电厂碳排放的文献总结碳减排措施可以归纳为技术和政策.在技术措施方面在役燃煤电厂可实施清洁燃煤发电技术推进大规模、低成本储能技术的研发因为仍然需要适当比例的燃煤发电维持电力系统的稳定运行.此外受到高温材料的制约煤电机组参数很难大幅攀升煤电机组通过自身技术革新实现节能降耗的潜力逐渐减小.未来可以探索实施煤电机组与去他能源耦合的发电技术比如与太阳能耦合发电和多种生物质燃料燃烧的方式.国际上对燃烧后捕捉技术应用得比较广泛可分为吸收式、吸附式、膜式和低温式.关于此主题 年共发表文献 篇.其中吸收式占吸附式占 膜式占 低温杂化法占.此外还有将碳交易、经济成本、资本成本等举措与其他减排措施综合在一起实现碳减排(图).结论与展望.结论本文以“中国知网”和“”核心合集为数据源应用科学计量工具 绘制了国内外关于燃煤电厂碳排放的知识图谱对该研究领域的基本特征、研究力量、知识基础以及研究热点等进行了系统整理从发文量、国家共现、关键词聚类角度进行分析并重点对关键词聚类进行归纳得出以下结论.辽宁大学学报 自然科学版 年 图 国外燃煤电厂减排措施 )从时间尺度来看国内学者在燃煤电厂碳排放领域的发文数量逐年递增.年受到中国政府对碳减排工作的重视尤其是“双碳”目标提出以后相关领域发文数量增长速度超越国外.但仍然有许多国家仍未开展燃煤电厂碳减排的研究.在国家间的合作网络中中国、美国、加拿大等国家之间的合作较为密切.这些国家既是碳排放大国又是经济总量较高的国家.在期刊共被引分析中、等期刊被引率均差不多.同时被引用量高的期刊主要是能源、环境清洁和煤炭类科学.)从空间尺度来看已有文献从国家、省级、地区和厂级各层次开展了煤电能效、碳排放和成本的研究探讨在利用燃煤电力进行调峰、调频基础上实现碳减排.中国学者侧重从省级和地区的角度展开碳排放量的对比研究.因为即使对中国不同省域火电行业在相同生产技术集合下的能源效率或环境效率进行评价仍忽略了由于经济发展差异显著而导致不同地区的生产技术异质性如资源禀赋与地理环境.)在减排路径研究方面国内外学者将燃煤发电与可再生能源进行耦合分析如煤炭与生物质能和太阳能耦合并分析其碳减排的经济性.此外碳减排技术主要关注净零排放技术和碳捕捉技术.政策减排也是学者关注的问题主要包括碳税和碳交易.展望本文通过综述国内外燃煤电厂碳排放文献认为未来燃煤电厂碳减排技术研究可以从以下几个方面进行尝试:一是在研究方法上由于煤炭开采、洗选和运输阶段也会产生很多间接碳排放建议从全生命周期角度进行计算分析在碳排放因子选择方面尤其中国电力行业温室气体核算缺乏公认、规范的核算标准建议对燃煤发电厂 排放量采用精确计算方法二是目前大多数燃煤电厂都具备了脱硫、脱硝和除尘等装置未来建议碳捕捉技术研究尽早商业化和市场化从而大规模应用到燃煤电厂中三是对于未来的发电模式可以实施多能互补、源网荷储加强储能技术的研发与利用四是提升汽轮机侧、锅炉侧和系统侧的发电效率在机组方面应提升超临界机组的普及率并在燃烧技术上与 燃烧方式相结合突破技术障碍五是结合地理环境和区域特征开展不同地区差异化碳捕捉技术的深入研究特别是在青藏高原可充分利用高原高光照的资源优势开发微藻生物质固碳技术从而减少固碳成本.第 期 陈亚梅 等:基于文献计量的燃煤电厂碳排放研究进展 参 考 文 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