在線監(jiān)測法在水泥行業(yè)碳排放量計量中的應(yīng)用研究

牛書寧，付文杰，潘本鋒

（1.寧夏回族自治區(qū)工業(yè)和信息化融合促進(jìn)中心，寧夏銀川 750001；2.河北先進(jìn)環(huán)保產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，河北石家莊 050035）

2021 年國家先后出臺了多項政策文件，要求：“到2025 年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放量比2020 年下降18%；到2030 年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放量比2005 年下降65%以上，CO2排放量達(dá)到峰值并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)中有降?！?020 年水泥行業(yè)碳排放總量約13.75×108t，占全國碳排放總量的13.5%左右[1]，因此，準(zhǔn)確量化水泥行業(yè)碳排放量對于準(zhǔn)確統(tǒng)計我國碳排放總量有著舉足輕重的作用。

目前，廣泛使用的溫室氣體量化方法主要有兩種，即基于核算的方法和基于連續(xù)監(jiān)測的方法?；诤怂愕姆椒ㄊ侵竿ㄟ^活動數(shù)據(jù)乘以排放因子或通過計算生產(chǎn)過程中的碳質(zhì)量平衡來量化溫室氣體排放量，國家發(fā)改委先后發(fā)布了24 個行業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南[2-4]?；谶B續(xù)監(jiān)測的方法是通過煙氣連續(xù)在線監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）直接測量煙氣流速和煙氣中CO2濃度等參數(shù)來計算溫室氣體的排放量[5-6]。歐盟委員會2005 年啟動歐盟碳排放交易系統(tǒng)，正式監(jiān)測CO2排放量，約有140 臺發(fā)電機(jī)組利用CEMS 開展的實(shí)測法監(jiān)測碳排放。美國環(huán)保署在2009 年的《溫室氣體排放報告強(qiáng)制條例》中規(guī)定，所有年排放超過2.5×104t CO2當(dāng)量的排放源自2011 年開始必須全部安裝CEMS并在線上報美國環(huán)保署[7]。2020 年6 月，生態(tài)環(huán)境部提出遵循“核算為主、監(jiān)測為輔”的原則，探索建立重點(diǎn)排放單位溫室氣體排放源監(jiān)測的管理體系和技術(shù)體系，在火電行業(yè)率先開展CO2排放量在線監(jiān)測試點(diǎn)[8]。生態(tài)環(huán)境部于2021 年9 月組織了碳排放監(jiān)測試點(diǎn)工作，在火電、鋼鐵、石油天然氣開采、煤炭開采和廢棄物處理五類重點(diǎn)行業(yè)開展碳排放監(jiān)測試點(diǎn)工作，評估使用直接監(jiān)測法作為輔助手段，支撐企業(yè)層面溫室氣體排放量計算的科學(xué)性和可行性。考慮到水泥行業(yè)碳排放總量準(zhǔn)確核算的重要性，有必要針對水泥行業(yè)碳排放量計量的不同方法進(jìn)行研究，為我國準(zhǔn)確核定水泥行業(yè)碳排放總量提供技術(shù)依據(jù)，支撐我國碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

1 水泥企業(yè)碳排放量化方法介紹

1.1 核算法

根據(jù)國家發(fā)改委發(fā)布的《中國水泥生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》[9]，水泥企業(yè)CO2排放總量包括企業(yè)邊界內(nèi)所有化石燃料燃燒排放量、工業(yè)生產(chǎn)過程排放量及凈購入電力和熱力對應(yīng)的排放量。

（1）化石燃料燃燒排放量計算：

式中：E燃燒1-化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量ADi-第i 種化石燃料的活動水平，GJ；EFi-第i 種化石燃料的CO2排放因子

（2）替代燃料或廢棄物中非生物質(zhì)碳的燃燒排放量計算：

式中：E燃燒2-替代燃料或廢棄物燃燒產(chǎn)生的CO2排放量-替代燃料或廢棄物的用量，t；HVi-替代燃料或廢棄物的加權(quán)平均低位發(fā)熱量，GJ/t；EFi-替代燃料或廢棄物燃燒的CO2排放因子-替代燃料或廢棄物中非生物質(zhì)碳的含量，%；i-替代燃料或廢棄物的種類。

（3）原料分解產(chǎn)生的排放量計算：

式中：E工藝1-原料碳酸鹽分解產(chǎn)生的CO2排放量，-水泥熟料的產(chǎn)量，t；Qckd-窯爐排氣筒（窯頭）粉塵的質(zhì)量，t；Qbpd-窯爐旁路放風(fēng)粉塵的質(zhì)量，t；FR1-熟料中CaO 的含量，%；FR10-熟料中不是來源于碳酸鹽分解的CaO 的含量，%；FR2-熟料中MgO 的含量，%；FR20-熟料中不是來源于碳酸鹽分解的MgO 的含量，%；-CO2與CaO 之間的相對分子質(zhì)量換算；-CO2與MgO 之間的相對分子質(zhì)量換算。

（4）生料中非燃料碳煅燒的排放量計算：

式中：E工藝2-生料中非燃料碳煅燒產(chǎn)生的CO2排放量，tCO2；Q-生料的數(shù)量，t；FR0-生料中非燃料碳含量，%；-CO2與碳的數(shù)量換算。

（5）凈購入使用的電力和熱力對應(yīng)的排放量計算：

式中：E電和熱-凈購入使用的電力、熱力所對應(yīng)的生產(chǎn)活動的CO2排放量，；AD電力-凈購入的電量，MW·h；AD熱力-凈購入的熱力量，GJ；EF電力-電力的CO2排放因子，/MW·h；EF熱力-熱力的CO2排放因子/GJ。

1.2 在線監(jiān)測法

由于水泥生產(chǎn)主要直接CO2排放來源于窯爐，即有固定的排放源，因而可以通過監(jiān)測確定CO2排放量。對窯爐尾部煙筒中煙氣流速、CO2濃度、溫度、壓力和濕度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，可以計算直接CO2排放量瞬時值，通過數(shù)據(jù)累計計算及數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計一段時間內(nèi)窯爐的直接CO2排放量。

（1）煙氣CO2濃度轉(zhuǎn)換計算：

式中：CQ-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CO2質(zhì)量濃度，kg/m3；CVCO2-CEMS 測得的CO2體積濃度，%；44-CO2摩爾質(zhì)量，g/mol；22.4-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體摩爾體積，L/mol。

式中：C干-CO2干基質(zhì)量濃度或體積濃度，kg/m3或%；C濕-CO2濕基質(zhì)量濃度或體積濃度，kg/m3或%；XSW-煙氣絕對濕度（又稱水分含量），%。

（2）CO2體積濃度計算：

（3）CO2排放流量計算：

式中：QSh-實(shí)際工況下小時濕煙氣流量CO2-CEMS 測量的煙氣流速的小時均值，m/s；F-CO2-CEMS 安裝點(diǎn)位煙囪或煙道斷面的面積，m2。

式中：QSnh-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下小時干煙氣體積流量，m3/h；tsh-CO2-CEMS 測量的煙氣溫度的小時均值，℃；Ba-CO2-CEMS 安裝地點(diǎn)的環(huán)境大氣壓，Pa；PSh-CO2-CEMS 測量的煙氣靜壓的小時均值，Pa；XSWh-CO2-CEMS 測量的煙氣濕度的小時均值，%。

（4）CO2排放量計算：

式中：Gh-CO2-CEMS 第h 小時監(jiān)測CO2排放量，t/h；44-CO2摩爾質(zhì)量，g/mol；22.4-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體摩爾體積，L/mol。

式中：Gd-CO2-CEMS 第d 天監(jiān)測CO2排放量，t/h。

2 水泥企業(yè)碳排放量化對比試驗

2.1 水泥企業(yè)碳排放量在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

寧夏某水泥廠主要經(jīng)營水泥、水泥熟料、機(jī)制骨料及混凝土的制造與銷售，擁有一條5 000 t/d 新型二代干法水泥熟料智能化生產(chǎn)線及余熱發(fā)電，年可產(chǎn)熟料150×104t，水泥100×104t。2022 年7 月企業(yè)在總排放口安裝了一套溫室氣體連續(xù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測窯爐的直接CO2排放量。在線監(jiān)測系統(tǒng)包括主機(jī)單元、機(jī)柜單元、采樣單元、數(shù)據(jù)柜單元、溫濕壓流單元、校準(zhǔn)單元和數(shù)據(jù)采集單元等。采樣點(diǎn)位于距離地面約30 m 的四樓平臺，采用直接抽取采樣技術(shù)，采樣探頭和管路高溫伴熱，經(jīng)預(yù)處理系統(tǒng)除塵、除水后，送入CO2分析儀中進(jìn)行檢測。CO2分析儀采用XHCO2100 型紅外分析儀，詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 XHCO2100 型紅外分析儀主要技術(shù)參數(shù)

2.2 在線監(jiān)測法與核算法量化結(jié)果比對分析

在線監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試、校準(zhǔn)，現(xiàn)場穩(wěn)定運(yùn)行后進(jìn)入監(jiān)測對比階段。選取2022 年8 月20 日至10 月6 日作為監(jiān)測分析時段，通過窯爐啟停記錄，9 月5 日8時～9 月15 日4 時、9 月28 日11 時～22 時窯爐停窯，其余時間窯爐正常運(yùn)行生產(chǎn)。由于在線監(jiān)測法是監(jiān)測窯尾煙囪的直接CO2排放量，為保持對比口徑的一致性，核算法僅考慮化石燃料燃燒和工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的排放量，不考慮凈購入電力和熱力對應(yīng)的間接排放量，在線監(jiān)測法計量碳排放量與核算法核算碳排放量對比分析結(jié)果見表2。

由表2 可知，整體上看在線監(jiān)測法計量結(jié)果較核算法核算結(jié)果偏高9.44%。經(jīng)分析，造成誤差的原因主要有以下兩個方面：一方面是核算法中燃煤單位熱值含碳量和碳氧化率等參數(shù)采用缺省值數(shù)據(jù)與實(shí)際情況存在一定誤差；另一方面是在線監(jiān)測法中煙氣流速、煙氣濃度、煙氣溫度、煙氣濕度和煙氣壓力等監(jiān)測參數(shù)均存在一定的不確定性，有研究表明煙氣流速的不確定度較高[10]，煙氣流速的典型誤差在10%～20%[11]。

表2 在線監(jiān)測法和核算法碳排放量對比分析

2.3 在線監(jiān)測法與核算法優(yōu)劣比較

針對水泥企業(yè)碳排放量的兩種計量方法，分別從方法適用性、準(zhǔn)確度、時效性、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行分析，具體情況見表3。

表3 在線監(jiān)測法和核算法優(yōu)劣對比分析

3 結(jié)論與建議

針對我國水泥行業(yè)碳排放量計量方法單一問題，本文對在線監(jiān)測法在水泥行業(yè)碳排放量計量中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，搭建了一套煙氣連續(xù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確測量煙氣中CO2濃度，實(shí)現(xiàn)了水泥企業(yè)碳排放量的實(shí)時在線監(jiān)測；通過在線監(jiān)測法與核算法碳排放量化結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)在線監(jiān)測法計量結(jié)果與核算法核算結(jié)果之間存在一定誤差，誤差原因有待于進(jìn)一步分析。兩種方法各有優(yōu)劣，核算法成本較低，方法成熟，可操作性較強(qiáng)；在線監(jiān)測法數(shù)據(jù)獲取的時效性較強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)自動化，便于管理部門質(zhì)量控制和日常監(jiān)督管理。為做好在線監(jiān)測法在水泥行業(yè)碳排放量計量中的應(yīng)用研究工作，提出如下建議：

（1）在線監(jiān)測法技術(shù)上是可行的，應(yīng)持續(xù)開展對比研究，下一步深入研究在線監(jiān)測法碳排放量不確定性主要來源以及降低不確定性的方法，為水泥行業(yè)碳排放總量核算由核算法向在線監(jiān)測法過渡提供了數(shù)據(jù)支撐。

（2）建立溫室氣體在線監(jiān)測相應(yīng)的技術(shù)體系，包括監(jiān)測參數(shù)技術(shù)性能、監(jiān)測站房、監(jiān)測點(diǎn)位布置、系統(tǒng)安裝、技術(shù)指標(biāo)調(diào)試檢測、技術(shù)驗收、運(yùn)行管理、質(zhì)量保障、數(shù)據(jù)審核及處理、數(shù)據(jù)記錄和報告要求等。

（3）借鑒污染源在線監(jiān)測管理的經(jīng)驗，構(gòu)建溫室氣體監(jiān)測工作的數(shù)據(jù)監(jiān)測、報告、檢查、數(shù)據(jù)有效性審核的業(yè)務(wù)工作體系，以滿足碳排放量計量MRV 要求。

（4）積極推廣在線監(jiān)測法在寧夏地區(qū)水泥企業(yè)中的應(yīng)用，利用實(shí)時監(jiān)測碳排放量數(shù)據(jù)指導(dǎo)水泥企業(yè)及時、科學(xué)地實(shí)施節(jié)能降碳措施，推動寧夏水泥行業(yè)盡早實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。