固定污染源溫室氣體排放量直接監(jiān)測方法綜述

李海洋，葛志松，宋 進

(上海市計量測試技術(shù)研究院，上海 201203)

0 引 言

2022年9月，中國在第七十五屆聯(lián)合國大會上宣布“力爭在2030年前實現(xiàn)碳排放達到峰值，在2060年前實現(xiàn)碳中和”的目標。隨后國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》及《2030年前碳達峰行動方案》，明確了我國實現(xiàn)雙碳目標的時間表和路線圖，標志著“碳達峰、碳中和”正式上升為國家的重大戰(zhàn)略決策。自然界中碳排放的主要方式有化石燃料燃燒、機動車尾氣、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及動物和人活動排放，化石燃料燃燒在總碳排放量中占有相當(dāng)比例。固定污染源又是化石燃料燃燒與工業(yè)生產(chǎn)的主要排放途徑，如火力發(fā)電廠中的煙囪排放就是典型的固定污染源溫室氣體排放形式。因此對固定污染源溫室氣體排放量（主要指CO、CO2）的準確監(jiān)測與計量，是后續(xù)開展碳核查，碳交易以及碳達峰的先決條件。

1 溫室氣體排放量的監(jiān)測方法

1.1 非直接監(jiān)測法

目前，溫室氣體排放量的監(jiān)測方法主要有三種：排放因子法，碳平衡法與直接監(jiān)測法。從測量手段角度分類，前兩種監(jiān)測方法屬于非直接監(jiān)測法。

排放因子法是基于不同化石燃料消耗量與其低位發(fā)熱值綜合計算溫室氣體排放量的方法。這種方法可以視被監(jiān)測企業(yè)的資料完備性情況，進行準確程度不同的監(jiān)測，當(dāng)?shù)臀话l(fā)熱值與單位熱值含碳量均按規(guī)范要求定時試驗獲取時可以進行準確性高的監(jiān)測，而即使沒有上述數(shù)據(jù)也可以使用公認缺省值進行準確性相對較低的監(jiān)測。在溫室氣體排放量監(jiān)測與核算初期，排放因子法因其經(jīng)濟性和廣泛適用性，作為推薦方法被寫入政府間氣候變化專門委員會（IPCC）頒布的《IPCC 2006 國家溫室氣體清單指南》，而被廣泛應(yīng)用[1-3]。

碳平衡法是依據(jù)質(zhì)量守恒原理，排放的溫室氣體含碳量與投入的化石燃料含碳量與燃燒后剩余煤渣的含碳量之差相等。核算過程中，碳的氧化率視資料完備情況而使用完全氧化率、估算氧化率和實驗氧化率。碳平衡法特別適用于化石燃料投入和燃燒后煤渣統(tǒng)計齊備的情況，并且核算過程較排放因子法簡單，缺點是不能對各類設(shè)施各部分設(shè)備差異進行區(qū)分，目前在工業(yè)生產(chǎn)實際中有一定應(yīng)用，但是作為同屬于非直接監(jiān)測法——排放因子法的補充出現(xiàn)，沒有成為主流的核算方法。

隨著對溫室氣體影響氣候環(huán)境這一問題認識的深入，世界各主要經(jīng)濟體開始重視溫室氣體排放量的監(jiān)測，并相繼出臺法律規(guī)章，從適用行業(yè)、核算范圍、核算方法等方面對監(jiān)測與核算過程進行明確。

我國在2013-2015年間，由國家發(fā)改委陸續(xù)頒布了24個行業(yè)的溫室氣體排放核算辦法與報告指南。指南主要參考《IPCC 2006指南》界定了核算范圍、方法及數(shù)據(jù)要求，并將排放因子法指定為主要核算方法[4-5]，并且指出了實測排放因子的重要性，但由于監(jiān)測水平與條件限制，缺省值仍成為排放因子確定的主要方式，這種情況也一定程度上影響了監(jiān)測的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

國內(nèi)外諸多學(xué)者對非直接監(jiān)測法的數(shù)據(jù)質(zhì)量進行過研究。Rodney Bryant通過分析小型天然氣燃燒器碳排放數(shù)據(jù)，得出碳平衡法計算排放量與直接監(jiān)測法實測排放量數(shù)據(jù)基本吻合，但是區(qū)別在于碳平衡法的計算排放量擴展不確定度在4%左右，而直接監(jiān)測法的擴展不確定度僅為1%[6]。朱德臣等人，對比排放因子法中元素含碳量使用檢測值和缺省值對溫室氣體排放總量核算結(jié)果的影響，指出元素含碳量實測在排放因子法中的重要性。吳曉蔚等，在綜合分析了我國30臺具有代表性的大型火力發(fā)電機組的CO2排放情況，發(fā)現(xiàn)使用紅外氣體分析儀直接獲取氣體濃度進而折算排放因子的方法比IPCC缺省值高[7-8]。

1.2 直接監(jiān)測法

直接測量法是在固定污染源合理位置安裝流量流速儀表對溫室氣體的排放流量進行監(jiān)測，并對固定污染源內(nèi)溫室氣體進行采樣，通過物理化學(xué)方法獲得采樣氣體碳氧化物濃度，進而直接計算該固定污染源溫室氣體排放量的一種方法。

美國與歐盟在最初的監(jiān)測中，都將非直接監(jiān)測法作為主要監(jiān)測方法。經(jīng)過實踐與技術(shù)發(fā)展，監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量與監(jiān)測成本投入開始成為監(jiān)測方法選擇的重要考慮因素。對于大型污染設(shè)施，如美國強制要求25 MW以上的燃煤發(fā)電機組安裝CEMS（煙氣排放連續(xù)在線監(jiān)測）裝置，使用直接監(jiān)測法進行核算[9]；但是對于燃油或燃氣小裝機機組在進行監(jiān)測成本預(yù)算后可使用排放因子法或碳平衡法進行監(jiān)測。而歐盟也會考慮在歐盟碳排放交易計劃（EU ETS）中的參與度，可以通過EU ETS產(chǎn)生盈利的大型排放設(shè)施應(yīng)該使用數(shù)據(jù)質(zhì)量等級更高的排放端直接監(jiān)測法，而被認為在EU ETS中參與度低的小型排放設(shè)施則建議通過投入成本更低的非直接監(jiān)測法進行核算[10-11]。

隨著近年來直接監(jiān)測法的逐步推廣，其與非直接監(jiān)測法在溫室氣體排放量核算結(jié)果差異方面的比對一直都在進行。唐小亮，分別應(yīng)用排放因子法與直接監(jiān)測法對江蘇高郵某熱電廠2套122.5 MW燃氣-蒸汽發(fā)電機組CO2排放量進行核算，得出排放因子法計算結(jié)果不確定度大，并且高估碳排放量的結(jié)論。張海濱，胡永飛等人使用Testo 350加強型煙氣分析儀，對國內(nèi)某總裝機容量為382 MW大型熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)的7臺鍋爐機組進行了溫室氣體排放監(jiān)測，并與此同時使用排放因子法核算同期溫室氣體排放量，得出直接監(jiān)測法可以避免排放因子法由于實際工況、燃料組分、單位熱值選取產(chǎn)生的核算結(jié)果差異的結(jié)論，認為直接監(jiān)測法的數(shù)據(jù)質(zhì)量受影響因素少，結(jié)果更加準確[12-13]。

目前，專門針對固定污染源溫室氣體（CO、CO2）排放量直接監(jiān)測方法的技術(shù)規(guī)范與操作指南相對較少，相關(guān)的標準規(guī)范大多針對廣泛的大氣污染物而言，如國際標準 ISO 10780—1994《固定源排放——管道氣流流速及流量測量》[14]、ISO 12141—2002《固定源排放——低濃度時顆粒物（粉塵）質(zhì)量濃度的測定——人工分析重量法》[15]及我國標準HJ 75—2017《固定污染源煙氣排放連續(xù)檢測技術(shù)規(guī)范》[16]等。文獻[14]、[15]側(cè)重于對固定污染源非特定污染物流速、濃度測量方法、測量器具的描述，文獻[16]則主要對應(yīng)用煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）對煙氣中（SO2，NOx，顆粒物）進行監(jiān)測的方法與準確性進行規(guī)范。

2 直接監(jiān)測法中的關(guān)鍵測量技術(shù)

直接監(jiān)測法有兩個關(guān)鍵要素，分別是固定污染源溫室氣體排放流量的測量和溫室氣體濃度的測量。下面將著重介紹這兩方面的測量方法。

2.1 速度面積法流量測量

速度面積法是流量測量的一種重要方法。在被測固定污染源中合理選取測量截面，使用流速類儀表測量出所選截面的多個位置的點流速，通過合適的積分方法即可計算出通過被測截面的溫室氣體流量，原理如圖1所示。

圖1 速度-面積法流量測量原理

對于測量截面（測量段）的選擇一般選取遠離擾流或折彎處，優(yōu)選在測量截面前有10倍管道直徑直管長度，后5倍管道直徑直管長度的位置作為測量位置。對于速度面積法流速儀表在被測截面的流速點的選取，有較多標準可以參考，如美國環(huán)保局EPA方法1《固定污染源采樣點與流速點遍歷方法》以及我國標準GB/T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》[17-18]等可以參照。

總體來說，固定污染源氣體排放監(jiān)測中應(yīng)用較多的流速儀表分別是皮托管、超聲流量計（線流速儀表）與光學(xué)流速計三類。

皮托管是一種應(yīng)用歷史悠久的差壓式點流速測量儀表。傳統(tǒng)皮托管主要分為L型與S型兩類，如圖2所示，基于伯努利原理設(shè)計，即皮托管所在測點的流速與其總壓孔與靜壓孔差壓平方根成正比。

由于結(jié)構(gòu)原理簡單，傳統(tǒng)皮托管被廣泛應(yīng)用于各種流體各種場合的流速測量之中。但是傳統(tǒng)皮托管存在無法辨別氣體來流流向即來流俯仰角的問題，在測量中必須使總壓孔準確對準來流方向，才能有較高的測量準確性。為解決上述難題，二維（三孔）與三維（五孔）皮托管，被國外廠商先后研制并投入應(yīng)用[19-20]，使此類儀表流速測量的擴展不確定度從10%～15% (k=2)大幅降低至2% (k=2)左右。

圖2 標準（L型）皮托管 、S型皮托管

直接監(jiān)測法中另一種應(yīng)用較為廣泛的是超聲流量計，它是一種基于不同流速的介質(zhì)對超聲波信號調(diào)制效果不同的原理研制的一類流量儀表。在固定污染源排放的直接監(jiān)測中因時差法超聲測流原理簡單，信號檢測方便，受溫室氣體顆粒物散射作用影響小等原因，成為越來越受到關(guān)注的一類流量測量技術(shù)。但由于邊緣效應(yīng)的存在以及管道內(nèi)的流場分布不均，致使單聲路超聲流量計的測量準確度與測量重復(fù)性都不甚理想。多聲路超聲流量計的出現(xiàn)和積分算法的成熟使上述情況得到很大改觀。中國計量科學(xué)研究院張亮，上海市計量測試技術(shù)研究院李海洋等人應(yīng)用插入式多聲道超聲流量計完成了對鄭州某燃煤電廠矩形煙道溫室氣體排放量的監(jiān)測，在國內(nèi)首次實踐了多聲道超聲流量計應(yīng)用于固定污染源溫室氣體排放量直接監(jiān)測的方法，并歸納了聲路布置及聲路幾何參數(shù)測量方法等實用性技術(shù)[21]。

此外光學(xué)流速計，作為一類新式非接觸流速儀表，在污染物氣體流速測量領(lǐng)域也開始得到應(yīng)用[22]。中國計量科學(xué)院張亮等人將激光多普勒測速儀作為工作級標準器應(yīng)用于溫室氣體流速標準裝置[23]，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所，魯岸立等人基于激光自混合干涉原理與矩形管道流場分布特征，研究了矩形管道內(nèi)激光自混合的頻譜變化特征，并使用截止頻率法改進傳統(tǒng)激光自混合技術(shù)，使流速測量的準確性從最初的7%～9%提升至3%左右[24]。但基于光學(xué)原理的流速計普遍系統(tǒng)復(fù)雜，成本高昂，且大多要求被測環(huán)境有示蹤顆粒，在現(xiàn)場固定污染源溫室氣體排放量測量中，仍較少應(yīng)用，但是激光多普勒流速儀作為計量標準器在溫室氣體流速標定裝置上的應(yīng)用值得研究并推廣。

固定污染源氣體排放流量的測量與傳統(tǒng)管道氣體流量相比，存在直管段長度不足、截面形狀不規(guī)則、管道折彎多、擾流與渦旋復(fù)雜等特點。所以很多學(xué)者對除現(xiàn)有指南方法外的測量段選取與流速點布置方法進行了研究。如南京信息工程大學(xué)的馮真禎以90臺發(fā)電機組的矩形固定污染源為例[25]，基于采樣截面內(nèi)測點流速的相對均方根指標定量分析了標準采樣截面與非標準采樣截面測點排布方法，指出對于非標準采樣截面，在測點流速相對均方根小于0.3時，可以通過適當(dāng)增加測點的方法提高流速測量準確度，在測點流速相對均方根大于0.3，且增加測點工作量巨大時，應(yīng)考慮更換采樣截面。對于擾流與渦旋問題筆者提出可以制作擾流發(fā)生器放置于試驗風(fēng)洞之內(nèi)，通過試驗?zāi)M與數(shù)值仿真相結(jié)合的方式研究如何尋找低渦旋的穩(wěn)定流場位置，從而提高流速測量準確度。此外為解決近壁面流場分布不均的問題，可以從創(chuàng)新積分方法的角度入手，在有限的采樣流速點基礎(chǔ)上，合理設(shè)置權(quán)重，提高流速代表性，也能一定程度上使氣體流量測量更加準確。

2.2 直接監(jiān)測中的濃度測量方法及儀器

氣體濃度的測量是溫室氣體排放量直接監(jiān)測法的另一個重要環(huán)節(jié)。目前溫室氣體濃度的測量方法主要有氣相色譜法、非分散紅外吸收法、傅里葉變換紅外光譜法。

氣相色譜法（GC）用于氣體濃度分析由來已久，原理是樣品氣體的不同組分在色譜柱中的流動相與固定相間分配或被吸附能力存在差異，在載氣的不斷“清洗”下，樣品氣體的不同組分在色譜柱中分離，然后通過檢測器被檢測并記錄。該方法檢出限低，檢測精度較高。但是較適于開放大氣環(huán)境污染物濃度的監(jiān)測，并且需要載氣等配套條件，操作較為復(fù)雜，并且仍需與質(zhì)譜法或光譜法聯(lián)用才能對物質(zhì)進行定量分析，所以其應(yīng)用于固定污染源監(jiān)測較為少見。

非紅外色散吸收法（NDIR）是根據(jù)朗伯 - 比爾原理制造的一類被檢目標氣體為分子團具有特定非對稱雙原子或多原子分子結(jié)構(gòu)，而恰好主要溫室氣體污染物CO2與CH4等都符合這種分子結(jié)構(gòu)特征。該方法不但被世界氣象組織全球大氣觀測網(wǎng)推薦，我國生態(tài)環(huán)境部在2017年也出臺了《HJ870 固定污染源廢棄 二氧化碳的測定非分散紅外吸收法》作為初步探索建立固定污染源溫室氣體直接監(jiān)測法濃度測量的推薦方法之一。該方法成本低，配套設(shè)施簡單，特定波長紅外光譜被吸收后濾波及探測技術(shù)成熟，缺點在于NDIR法對于CO2氣體的響應(yīng)曲線非線性，所以儀器標定時需要對一定數(shù)量的濃度點連續(xù)標定。我國學(xué)者如溫玉璞[26-27]，高松[28]分別使用NDIR法研究過青海瓦里關(guān)及上海地區(qū)的大氣本底CO2濃度變化特征及相關(guān)影響因素分析。

傅里葉變換紅外光譜吸收技術(shù)（FTIR）原理是將樣品與背景（無樣品）的干涉圖基于傅里葉變換轉(zhuǎn)換為與吸收強度或透光度相關(guān)的紅外光譜圖，從而獲得目標氣體樣品與背景光譜的比值，即為目標氣體濃度[29]。河南省計量科學(xué)院路興杰等人使用基于FTIR技術(shù)的IGS 傅立葉紅外氣體分析儀，經(jīng)過煙道氣體采樣、過濾、混氣及數(shù)據(jù)處理等過程對鄭州某燃煤電廠煙道CO2氣體濃度進行了測量，試驗結(jié)束后分析了測量結(jié)果的不確定度來源，并給出了CO2濃度的測量擴展不確定度[30]。

上述三種方法，可歸納為溫室氣體濃度測量領(lǐng)域的傳統(tǒng)方法，考慮到方法的可操作性，NDIR法和FTIR法應(yīng)用較為廣泛。此后，相關(guān)學(xué)者又以NDIR法為基礎(chǔ)，開發(fā)了可以實現(xiàn)濃度原位測量的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜法（TDLAS）。該方法利用函數(shù)發(fā)生器對激光器產(chǎn)生的光波波長調(diào)諧在目標氣體特定吸收波長的譜線附近，然后使用光學(xué)吸收介質(zhì)吸收并探測，進而獲知目標氣體濃度，TDLAS技術(shù)具有檢出限低、可實現(xiàn)原位在線測量等優(yōu)點[31]。如華南理工大學(xué)譚超等人以TDLAS分析儀為核心搭建了濃度原位測量裝置，并應(yīng)用于某燃煤電廠二氧化碳濃度的實測[32]，表明了TDLAS技術(shù)克服了傳統(tǒng)濃度測量技術(shù)采樣滯后性、代表性差，不能連續(xù)測量等缺點，在今后應(yīng)用中將具有廣泛前景。

而近年來，在溫室氣體濃度測量領(lǐng)域光腔衰蕩法（CRDS）也受到了研究者的關(guān)注。該方法將直接吸收光譜法中通過能量與吸收系數(shù)建立關(guān)系變化為測量一定能量的激光光源在樣品池中的衰減速率來獲得吸收系數(shù)，合理選擇高反射率反射鏡后，有效光程甚至可達到50 000倍樣品池長度，極大地增加了信噪比[33]。此外該方法受到關(guān)注的另一個原因也是由于其量值溯源鏈清晰，儀器參數(shù)可直接溯源至長度、頻率、溫度和壓力標準，從而方便對測量結(jié)果的準確性進行評估。

直接監(jiān)測法濃度測量的準確性相對于流量測量來說，整體水平較高。常用的NDIR法與FTIR法的濃度測量不確定度在1%～2%（k=2）左右，甚至有報道Polyansky 等人等使用CRDS法[34]，將CO2線性強度測量不確定度提高至0.5%（k=2）。

2.3 數(shù)值模擬方法在直接監(jiān)測中的應(yīng)用

計算流體力學(xué)（CFD）是一種隨計算機技術(shù)發(fā)展而興起的一門學(xué)科，基于計算機強大的計算能力在特定邊界條件下對流動進行分析，從而在非實流試驗條件下，獲得流場情況，流動特性及關(guān)鍵參數(shù)的計算模擬方法，既具有參數(shù)化，定量化，結(jié)果圖形化等優(yōu)點，又克服了實驗流體力學(xué)中人力物力消耗大，試驗裝置搭建困難的缺點，被廣泛應(yīng)用于各種流動分析中。在固定污染源直接監(jiān)測中，也有很多學(xué)者將CFD方法應(yīng)用于現(xiàn)場煙道溫室氣體排放量模擬[35]、煙氣流速標準裝置（低速風(fēng)洞）流場分析、皮托管系數(shù)的非實流標定研究當(dāng)中[36]。東南大學(xué)錢叢昊應(yīng)用數(shù)值計算方法，研究了某燃煤電廠從煙氣進口到煙囪出口的一段水平煙道中流速分布情況，并基于此尋找了前后直管段不滿足通用流量測量要求時較適宜的流動穩(wěn)定區(qū)段作為流速采樣段[37]。上海市計量測試技術(shù)研究院李海洋等人，使用數(shù)值模擬方法對作為煙氣流速標準裝置的低速環(huán)形風(fēng)洞內(nèi)流場進行了仿真，定性分析了不同幾何形式收縮段下，測試段的流速穩(wěn)定性、徑向流動湍流度及軸向速度梯度等技術(shù)指標，找到了風(fēng)洞設(shè)計的最優(yōu)幾何參數(shù)，為煙氣流速標準裝置的實際搭建提供了技術(shù)基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)之上，還提出了S型皮托管系數(shù)標定的數(shù)值計算方法，如圖3所示，為皮托管的設(shè)計及校準提供了又一可行方案[38-39]。

圖3 S型皮托管系數(shù)標定的數(shù)值計算方法[39]

3 直接監(jiān)測法中儀器儀表的量值溯源方法

量值溯源是保證所有計量與測量準確的基礎(chǔ)。溫室氣體直接監(jiān)測中所用的關(guān)鍵計量器具都應(yīng)經(jīng)過量值溯源以確保溫室氣體排放量測量結(jié)果的準確可靠。所有主要計量器具的量值可溯源也是直接監(jiān)測法較排放因子法和碳平衡法相對準確的關(guān)鍵所在。本節(jié)將主要針對測量中用到的流量流速儀表及濃度測量儀器的量值溯源方法和測量結(jié)果不確定度評定進行介紹。

3.1 直接監(jiān)測法中流量與流速儀表的量值溯源

依據(jù)我國計量體系及法規(guī)的規(guī)定，直接監(jiān)測法中所用的氣體流速計一般使用流速標準裝置進行檢定校準或系數(shù)標定。我國各級計量檢定機構(gòu)建立了多套以低速風(fēng)洞為基礎(chǔ)的流速標準裝置。傳統(tǒng)低速風(fēng)洞主要由收縮段、試驗段、擴散段、風(fēng)機組成，風(fēng)機是裝置的動力源，收縮段可以為后端試驗段提供穩(wěn)定工作流場，試驗段對各種流速儀表進行標定試驗。此種傳統(tǒng)低速風(fēng)洞可以對目前使用較廣泛的一維L型和S型皮托管及熱線風(fēng)速儀進行校準，但是由于無旋轉(zhuǎn)與豎直向偏移功能，所以無法對二維三維皮托管進行校準。此外，應(yīng)用于固定污染源直接監(jiān)測的插入式流量計通常對應(yīng)的管道直徑在800mm以上，所以很少有氣體流量標準裝置可以完成對大口徑插入式流量計的校準。

為更好地完善溫室氣體測量用大口徑流量計與流速計的量值溯源工作，中國計量科學(xué)研究院（NIM）建立了U型煙氣流量（流速）標準裝置，如圖4所示。標準裝置以800 mm口徑Sick 8聲道超聲流量計作為工作級流量標準器以及三維激光多普勒流速儀作為工作級流速標準器。該裝置最大工作流量可達到104 840 m3/h，流量相對擴展不確定度0.62%（k=2），可校準直徑不超過1 m的煙氣流量計以及多維皮托管流速計[40]，量值溯源圖如圖5所示。裝置可以用于直接監(jiān)測法中所有主流氣體流量計的量值傳遞，包括具備二維三維皮托管評定俯仰角與偏航角引入測量不確定度的多角度旋轉(zhuǎn)夾具，具備湍流發(fā)生功能以模擬真實煙道中的湍流狀態(tài)，所以裝置的建成對于完善我國煙氣流量溯源體系意義重大，同樣對于應(yīng)用直接監(jiān)測法進行溫室氣體排放量核查的數(shù)據(jù)準確性，保證碳減排與碳達峰目標的按時完成提供了堅實的技術(shù)保障。此外中國計量科學(xué)研究院聯(lián)合國內(nèi)多家計量技術(shù)機構(gòu)在上述煙氣流量裝置的研發(fā)經(jīng)驗基礎(chǔ)上，搭建了DN500口徑可變溫濕度可變介質(zhì)成分的環(huán)形煙氣流速裝置，新裝置將致力于模擬煙道中最真實的溫室氣體流動狀態(tài)，對于今后專用煙氣流量流速儀表的設(shè)計研發(fā)及此類儀表的量值傳遞方法，直接監(jiān)測法測量結(jié)果的不確定度評定等工作意義重大。

圖4 U型煙氣流量標準裝置[40]

圖5 煙氣流量與流速儀表的量值溯源圖

3.2 直接監(jiān)測法中氣體濃度測量儀器的量值溯源

直接監(jiān)測法中用到的溫室氣體濃度測量儀器主要以光譜法儀器為主，輔以少量色譜法儀器。這些儀器量值溯源的主要方法是使用已知濃度的標準氣體通入待校準儀器，比較已知標氣濃度與濃度測量儀器讀數(shù)濃度，確定儀器的測量誤差，同時可以將儀器測量誤差作為B類不確定度分量引入濃度測量結(jié)果的不確定度評價中。這里已知標氣的濃度使用稱重法溯源至基本物理單位質(zhì)量標準，其量值溯源圖如圖6所示。此外對于濃度測量儀器測量能力的檢定與校準（不限氣體通用方法）我國也相繼出臺了相應(yīng)的計量技術(shù)法規(guī)，如JJG 700—2016《氣象色譜儀》、JJF 1319—2011《傅立葉變換紅外光譜儀校準規(guī)范》等，這些計量技術(shù)規(guī)范主要在載氣流速穩(wěn)定性、分離度、靈敏度、檢測限、定量測量重復(fù)性、波數(shù)示值誤差及重復(fù)性等通用技術(shù)指標對儀器進行規(guī)范。目前見諸報道的有：江蘇大學(xué)鄒冰妍等人使用比對稱重法對所研制的直接光譜吸收法（改進型TDLAS）濃度測量儀在四種二氧化碳摩爾濃度不同的混合氣體進行了濃度測量試驗，并對結(jié)果進行了不確定度評定[41]；河南省計量科學(xué)研究院路興杰等人使用二氧化碳吸收峰面積定量測定所用傅立葉紅外光譜儀的最大準許誤差，并將結(jié)果作為濃度測量儀器的B類不確定度引入煙道采樣CO2氣體濃度的測量結(jié)果不確定度評定等[30]。

圖6 溫室氣體濃度測量儀表的量值溯源圖

4 直接監(jiān)測法溫室氣體排放測量技術(shù)的展望

4.1 直接監(jiān)測法將成為溫室氣體排放量的主流監(jiān)測方法

隨著固定污染源溫室氣體排放量直接監(jiān)測法中流速、濃度測量技術(shù)的突破以及以三維皮托管流速方向識別、直接光譜吸收法等為代表的新方法新原理的不斷涌現(xiàn)，直接監(jiān)測法無疑將成為今后固定污染源溫室氣體排放中主要的核查監(jiān)測方法。相比傳統(tǒng)的排放因子法，直接監(jiān)測法具有先天的理論優(yōu)勢，可以在線連續(xù)無故障監(jiān)測，而不受排放因子、碳平衡燃燒氧化率等參數(shù)人為選用而引進的系統(tǒng)性誤差。此外基于器具的直接監(jiān)測法在測量結(jié)果溯源與不確定度方面更具備其他兩種方法所不可替代的優(yōu)勢。下一步研究的重點可以著眼于對固定污染源內(nèi)部流動的深入研究，如何在復(fù)雜流場中尋找合適的穩(wěn)流測量段，如何使用最少的采樣點獲得最廣泛的流速代表性及樣品溫室氣體的濃度代表性，這些工作都對于進一步提高直接監(jiān)測法的準確性意義重大。

4.2 直接監(jiān)測法中流量的測量準確性將進一步提升

流量測量一直是直接監(jiān)測法的重點與難點問題，國內(nèi)外學(xué)者具有廣泛的研究。隨著三維皮托管在我國的推廣應(yīng)用[42]，可以進一步解決流速測量中俯仰角與偏航角引入的流向測量不確定度問題，此外本文作者創(chuàng)新地提出將人工智能學(xué)習(xí)等方法應(yīng)用于皮托管，均速管等差壓式流量計標定系數(shù)的外推中，可以進一步解決由于流量標準裝置管徑限制，致使一些大口徑固定污染源流速監(jiān)測用流量計無法獲得準確儀表標定系數(shù)的問題。此外，隨著三維激光掃描儀及全站儀等高準確度幾何參數(shù)計量器具在固定污染源幾何參數(shù)測量中的應(yīng)用，對于直接監(jiān)測法流量測量原理“速度-面積法”中的測量段“截面積”測量更為準確，也將進一步提高流量的測量準確度。

4.3 濃度測量儀器的量值溯源的技術(shù)法規(guī)將得到進一步完善

溫室氣體濃度測量儀器的檢定校準主要依據(jù)儀器濃度測量原理的不同，使用不同的檢定規(guī)程或校準規(guī)范且不針對特定氣體而對儀器功能進行的通用性檢查。針對色譜儀或光譜儀等濃度測量儀器對特定溫室氣體濃度如二氧化碳的測量準確性評定并無統(tǒng)一方法。目前較通用的方法是標準氣體定標比對法，可以預(yù)見，為進一步提升溫室氣體濃度測量儀器的準確度評定規(guī)范性，相應(yīng)針對特定溫室氣體濃度測量儀器的檢定規(guī)程或校準規(guī)范將進入立項與研究階段，此舉也是進一步提升固定污染源溫室氣體排放直接監(jiān)測法準確性的關(guān)鍵因素之一。

5 結(jié)束語

固定污染源溫室氣體排放的準確監(jiān)測與核查對于保質(zhì)保量完成“2030碳達峰，2060碳中和”的莊嚴承諾至關(guān)重要，繼排放因子法、碳平衡法后，直接監(jiān)測法逐漸成為各種國際組織、國際建議的主要推薦方法之一。直接監(jiān)測法準確測量的兩大關(guān)鍵因素為流量與濃度的準確測量，同時伴隨著固定污染源測量段選擇、流速采樣點選擇與布局、數(shù)值積分方法確認、濃度測量方法與儀器選擇、流速與濃度儀表的量值溯源等問題。應(yīng)用新原理、新方法進一步提高流量與濃度儀器測量準確性是提高直接監(jiān)測法測量準確度的關(guān)鍵，同時對其他相關(guān)方向的研究包括新一代流速標準裝置的研制、特定溫室氣體濃度測量儀器檢定校準規(guī)范的立項也是溫室氣體排放量直接監(jiān)測法技術(shù)重要的研究和發(fā)展方向。