元素碳含量檢測在燃煤發(fā)電企業(yè)溫室氣體排放核算中的應(yīng)用

朱德臣

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

溫室氣體排放監(jiān)測、報告和核查(MRV)是保障全國碳市場數(shù)據(jù)質(zhì)量的根本制度。自 2013年10月起，國家發(fā)改委分三批先后發(fā)布包括發(fā)電行業(yè)在內(nèi)的 24個行業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算與報告指南[1]。在此基礎(chǔ)上，2015年 11月國家質(zhì)檢總局、國家標(biāo)準(zhǔn)委批準(zhǔn)發(fā)布了包含發(fā)電企業(yè)在內(nèi)的《工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算和報告通則》等11項國家標(biāo)準(zhǔn)[2]。就發(fā)電企業(yè)溫室氣體排放核算而言，《中國發(fā)電企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南》(以下簡稱“指南”)與《溫室氣體排放核算與報告要求 第1部分：發(fā)電企業(yè)》(以下簡稱“國標(biāo)”)均明確要求燃煤的單位熱值含碳量由月平均元素碳含量與月平均低位發(fā)熱量相除得出[3-4]。然而，由于大多數(shù)發(fā)電企業(yè)元素碳分析數(shù)據(jù)缺乏，第三方核查機(jī)構(gòu)一般采用《省級溫室氣體清單編制指南》(以下簡稱“省級清單”)中推薦的不同煤種單位熱值含碳量缺省值來核算煤炭燃燒的溫室氣體排放量[5]。

本文旨在從定性角度揭示指南和國標(biāo)均明確要求通過元素碳實(shí)際檢測來確定單位熱值含碳量的原因；研究元素碳實(shí)際檢測得出的單位熱值含碳量與單位熱值含碳量缺省值之間的偏差、元素碳檢測所需要的額外投資以及如何保障元素碳檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量，為推動元素碳實(shí)際檢測提供技術(shù)支撐。

1 元素碳含量檢測的必要性

基于具備資質(zhì)的燃煤元素碳檢測機(jī)構(gòu)較少、發(fā)電企業(yè)元素碳檢測設(shè)備及檢測經(jīng)驗(yàn)缺乏等原因，當(dāng)前發(fā)電企業(yè)元素碳檢測工作尚未全面開展。部分發(fā)電企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)對開展元素碳檢測工作仍持觀望態(tài)度，原因如下：一是元素碳檢測會給發(fā)電企業(yè)帶來額外的檢測成本；二是根據(jù)發(fā)電企業(yè)入爐煤元素碳實(shí)際檢測得出的單位熱值含碳量整體而言偏高于缺省值，采用檢測值對企業(yè)不利；三是難以判斷用于元素碳檢測的縮分樣的代表性，第三方核查機(jī)構(gòu)尚缺乏具備操作性的專業(yè)鑒別方法，難以保障科學(xué)性、公平性。

指南或國標(biāo)規(guī)定通過元素碳實(shí)際檢測來確定單位熱值含碳量是因?yàn)椴捎脝挝粺嶂岛剂咳笔≈挡荒軡M足全國碳市場數(shù)據(jù)公平性和準(zhǔn)確性的需要，容易為企業(yè)碳排放權(quán)交易獲利帶來不利影響。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)2006年發(fā)布的國家溫室氣體清單，不同煤化程度的發(fā)電燃煤單位熱值含碳量存在差異。對于每一種特定類型燃煤的單位熱值含碳量均存在上限值、下限值和缺省值[6]。以煙煤為例，單位熱值含碳量約介于23.81～27.55 tC/TJ之間，假如簡單按照省級清單中煙煤單位熱值含碳量缺省值26.18 tC/TJ進(jìn)行計算，在同等熱量消耗的基礎(chǔ)上，極端情形下因單位熱值含碳量的不準(zhǔn)確會導(dǎo)致溫室氣體排放核算量超出實(shí)際排放量接近10%或者低于實(shí)際排放量接近 5%。一般來說，發(fā)電企業(yè)的溫室氣體排放規(guī)模介于 100萬～1000萬 t/a之間，以碳價為30 元/t推算，簡單因元素碳實(shí)際檢測與否產(chǎn)生的溫室氣體排放權(quán)收益差異即介于0～3 000萬元之間。顯然，元素碳實(shí)際檢測是極其必要的，是保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和真實(shí)性的必要環(huán)節(jié)。

2 元素碳檢測與缺省值的差異對比

2.1 元素碳檢測的具體要求

按照國標(biāo)規(guī)定，對于燃煤的單位熱值含碳量，企業(yè)應(yīng)每天采集入爐煤的縮分樣品，每月的最后一天將該月的每天獲得的縮分樣品混合，測量其元素碳與低位發(fā)熱量，入爐煤的縮分樣品的制備應(yīng)符合GB474要求[7]。燃煤月平均單位熱值含碳量為月平均元素碳含量與月平均低位發(fā)熱量之比，具體參照公式(1)進(jìn)行計算：

式中：q為燃煤的月平均單位熱值含碳量，tC/GJ；xCM為燃煤的月平均元素碳含量，%；qNCV為燃煤的月平均低位發(fā)熱量，GJ/t。

國標(biāo)與指南的根本區(qū)別在于：1）國標(biāo)明確燃煤的單位熱值含碳量由縮分樣品的元素碳含量與低位發(fā)熱量相比得出，修正了指南中采用縮分樣品元素碳含量與全部燃煤月平均低位發(fā)熱量相比計算單位熱值含碳量的做法；2）國標(biāo)進(jìn)一步明確了入爐煤縮分樣品的制備依據(jù)。

2.2 元素碳檢測與缺省值的差異

為讓發(fā)電企業(yè)弄清元素碳檢測與缺省值對碳排放量的定量影響，本文給出了56家發(fā)電企業(yè)、431組基于元素碳檢測的月度燃煤燃燒過程的二氧化碳排放統(tǒng)計數(shù)據(jù)，具體如圖1所示。其中，零點(diǎn)環(huán)線代表基于單位熱值含碳量缺省值與元素碳實(shí)測下的單位熱值含碳量相等的情況，黑點(diǎn)代表實(shí)測值與缺省值的相對偏差量，正值代表基于元素碳實(shí)測的二氧化碳排放量低于基于單位熱值含碳量缺省值的二氧化碳排放量?？梢钥闯觯?）基于元素碳實(shí)測的二氧化碳排放數(shù)據(jù)與缺省相比高低參半，偏高者稍多，約55%發(fā)電企業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)偏高，研究數(shù)據(jù)范圍內(nèi)平均偏高 0.58%；2）實(shí)測數(shù)據(jù)平均偏高幅度低于實(shí)測數(shù)據(jù)的平均偏低幅度，元素碳檢測發(fā)電企業(yè)二氧化碳高于缺省值的平均幅度為 2.45%，絕大多數(shù)偏離幅度小于5%，低于缺省值的平均幅度為2.62%，少數(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)偏離幅度甚至超出10%。換言之，元素碳檢測有較為明顯的降低部分發(fā)電企業(yè)碳排放權(quán)交易損失的作用。

圖1 元素碳檢測與缺省值對碳排放量的影響Fig. 1 Effect of carbon content measurement and default value on carbon dioxide emission

3 元素碳檢測成本

現(xiàn)階段，發(fā)電企業(yè)對元素碳檢測成本了解尚不夠深入?？傮w來看，元素碳檢測工作主要通過兩種方式開展：一是送檢，即每月按國標(biāo)要求采集制作縮分樣品后，送具備檢測資質(zhì)及能力的煤炭科學(xué)研究院、電力科學(xué)研究院等科研檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定，并出具檢測報告；二是自檢，即具備檢測資質(zhì)及能力的部分發(fā)電企業(yè)通過自行購置檢測設(shè)備進(jìn)行分析檢驗(yàn)。送檢樣品的平均成本約為200元/樣品。自檢成本主要由購置儀器成本、維護(hù)成本和操作成本3部分構(gòu)成。市場元素碳檢測儀器購置成本如圖2所示。

圖2 市場元素碳儀器報價Fig. 2 Market quoted price of carbon content analyzers

圖中儀器型號用序號表示?？梢钥闯觯壳笆袌鲈靥純x器報價大致分布于兩個區(qū)間范圍，其中國外進(jìn)口檢測儀器成本介于50萬～100萬元之間，國內(nèi)元素碳檢測儀器基本介于于 5萬～15萬元之間，一般滿足于發(fā)電企業(yè)檢測要求的元素碳檢測儀器平均約10萬元左右。

若僅考慮滿足國標(biāo)現(xiàn)階段每月檢測一次縮分樣元素碳含量，送檢成本將明顯低于自檢成本。然而，隨著全國碳市場的不斷深化、成熟，有償分配比例將逐步增加，免費(fèi)分配基準(zhǔn)線的收緊將導(dǎo)致配額價格提升，發(fā)電企業(yè)對碳排放量數(shù)據(jù)管理的及時性和準(zhǔn)確性要求將大大提高。換言之，碳交易市場的成熟將倒逼發(fā)電企業(yè)對自身入爐煤元素碳含量的檢測頻次、檢測準(zhǔn)確度等提出更高要求，以保障企業(yè)碳交易的合法權(quán)益。

綜上，近期而言，送檢成本相對較低，適合發(fā)電企業(yè)應(yīng)對初期全國碳市場的第三方核查要求。但隨著全國碳市場建設(shè)的推進(jìn)，具備檢測能力和資質(zhì)的發(fā)電企業(yè)自購設(shè)備進(jìn)行檢測是必然趨勢。假如元素碳按班次化驗(yàn)，單樣品檢驗(yàn)成本將大大降低。同時考慮檢測人員能力建設(shè)等因素，及早開展自檢工作也是值得推薦的。

4 元素碳檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量的保障

元素碳檢測的根本目的是為了使單位熱值含碳量更接近于燃料的真實(shí)值，從而對于發(fā)電企業(yè)的二氧化碳排放量核算更為準(zhǔn)確。當(dāng)前元素碳檢測存在的常見問題為縮分樣樣品元素碳檢測代表性不足或檢測值偏離合理區(qū)間。

一是關(guān)于縮分樣代表性的數(shù)據(jù)質(zhì)量保障措施。鑒于國標(biāo)對縮分樣的制備有明確規(guī)定，可以通過提高縮分樣制備過程監(jiān)測要求，或者提高監(jiān)測頻次要求來進(jìn)一步保障樣品代表性；二是關(guān)于檢測值合理性的數(shù)據(jù)保障質(zhì)量措施。由于檢測儀器可能出現(xiàn)不穩(wěn)定及其他故障，檢測者可能存在操作不當(dāng)、專業(yè)性知識缺乏等問題?？s分樣元素碳檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性判定相當(dāng)復(fù)雜，需要較強(qiáng)的煤質(zhì)檢驗(yàn)專業(yè)知識。一般而言，根據(jù)不同煤種的單位熱值含碳量是否處于合理區(qū)間，即可判別有明顯錯誤的檢測數(shù)據(jù)。鑒于燃煤電廠普遍存在摻燒，并具有完整的入爐煤工業(yè)分析數(shù)據(jù)，根據(jù)工業(yè)分析與元素分析間存在擬合關(guān)系，推薦采用煤質(zhì)檢行業(yè)常用的經(jīng)驗(yàn)公式(2)進(jìn)行判定[8-10]。

式中：Cd為煤中干燥基碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Ad為干燥基灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Vd為干燥基揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；St,d為煤中干燥基全硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Qgr,d為干燥基高位發(fā)熱量，kJ/g。

當(dāng)元素碳檢測數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)擬合數(shù)據(jù)偏差在2%以內(nèi)時，判定為數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，否則推薦采用缺省值進(jìn)行處理。

值得指出的是，當(dāng)前國標(biāo)提出的按月制備縮分樣檢測元素碳含量以得出單位熱值含碳量的做法，雖有利于降低發(fā)電企業(yè)監(jiān)測工作量，但容易造成縮分樣的單位熱值含碳量與入爐煤實(shí)際單位熱值含碳量有較大偏差，其根本原因在于樣本數(shù)據(jù)過小，代表性過低。綜合考慮抽樣分析原理及監(jiān)測工作量，建議將元素碳含量監(jiān)測頻次進(jìn)一步控制到每天一次或每班一次，按熱量加權(quán)平均求得月平均單位熱值含碳量。

5 元素碳檢測的推廣措施

元素碳檢測的推廣有利于發(fā)電企業(yè)提高二氧化碳排放核證值的準(zhǔn)確度，有利于獲取更為準(zhǔn)確的全社會二氧化碳排放量數(shù)據(jù)。

為了引導(dǎo)企業(yè)廣泛開展入爐煤元素碳檢測，存在兩種技術(shù)措施可供選擇以協(xié)助推廣。一是提高指南或國標(biāo)中煤種的單位熱值含碳量缺省值。對于未能按規(guī)定、按要求開展入爐煤元素碳檢測的發(fā)電企業(yè)，其燃煤的單位熱值含碳量按合理區(qū)間的上限進(jìn)行取值以核算發(fā)電企業(yè)二氧化碳排放量；二是允許已開展入爐煤元素碳檢測的發(fā)電企業(yè)自主選擇采取缺省值或?qū)崪y值進(jìn)行核算。總體而言，盡管第一種措施較為嚴(yán)格，但有利于保障發(fā)電企業(yè)碳交易的公平性、有利于引導(dǎo)碳排放數(shù)據(jù)向客觀角度發(fā)展，被第三方碳核查機(jī)構(gòu)采信為核查依據(jù)的可能性較大。

6 結(jié)論

1）元素碳檢測的推廣有利于發(fā)電企業(yè)獲取更為準(zhǔn)確的二氧化碳排放量數(shù)據(jù)，有利于發(fā)電企業(yè)合理爭取碳排放權(quán)交易利益，也有利于提升全國碳市場基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的客觀性與公平性。

2）元素碳檢測得出的單位熱值含碳量總體高于缺省值約 0.58%，但對于檢測值低于缺省值的發(fā)電企業(yè)而言，偏離值會更大，甚至超過10%。

3）元素碳檢測成本總體不高，按當(dāng)前國標(biāo)要求入爐煤元素碳送檢成本約為2400元/(機(jī)組?年)，但隨著碳市場的推進(jìn)，自檢將是更優(yōu)的選擇。

4）煤質(zhì)檢驗(yàn)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)擬合公式有助于從技術(shù)角度判定元素碳檢測的準(zhǔn)確性，避免數(shù)據(jù)代表性不足或檢測錯誤等現(xiàn)象。

5）第三方核查過程，采用煤種的單位熱值含碳量缺省值上限進(jìn)行核算，有助于元素碳檢測的推廣實(shí)施。

6）建議具備自檢條件的發(fā)電企業(yè)，進(jìn)一步提高元素碳檢測頻次，由 1次/月提升為 1次/天或者1次/班。