石油化工企業(yè)碳排放在線監(jiān)測與管理技術(shù)研究

季彥鋆

(上海市嘉定區(qū)環(huán)境監(jiān)測站,上海 201822)

面對全球氣候變化形勢日趨嚴峻的現(xiàn)狀,多個國家及地區(qū)相繼提出碳中和目標[1],我國于2020年提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)中和”(以下簡稱“雙碳”)的目標。生態(tài)環(huán)境部于2021年正式發(fā)布了《碳排放權(quán)交易管理辦法(試行)》,標志著我國碳排放核查與監(jiān)管工作正式啟動[2]。在“雙碳”戰(zhàn)略背景下,亟需加強碳排放監(jiān)測工作,提升碳排放的核查與監(jiān)管水平。文章基于現(xiàn)行的《上海市碳排放管理試行辦法》和《上海市碳排放核查工作規(guī)則(試行)》,針對石油化工企業(yè)碳排放特征,提出了一套適合現(xiàn)行法規(guī)和監(jiān)測規(guī)范的碳排放自動監(jiān)控系統(tǒng)。

1 上海市對石油化工企業(yè)碳排放的管理要求

碳排放是指二氧化碳等溫室氣體的直接排放和間接排放,直接排放是指煤炭、天然氣、石油等化石能源燃燒活動和工業(yè)生產(chǎn)過程等產(chǎn)生的溫室氣體排放;間接排放是指因使用外購的電力和熱力等所導致的溫室氣體排放。

根據(jù)《上海市溫室氣體排放核算與報告指南》(SH/MRV-001—2012),溫室氣體排放的核算可采用基于計算的方法或基于測量的方法?；谟嬎愕姆椒ㄊ侵竿ㄟ^活動水平數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)之間的計算得到溫室氣體排放量的方法;基于測量的方法是指通過相關(guān)儀器設(shè)備對溫室氣體的濃度或體積等進行連續(xù)測量得到溫室氣體排放量的方法。排放主體可以通過連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)進行實時測量,CEMS的技術(shù)性能、安裝位置和運行管理等應符合相關(guān)規(guī)定,以減少測量偏差、降低不確定性。

2 碳排放在線監(jiān)測原理

在我國試點碳市場中,每個試點地區(qū)都有各自的核算和報告指南。北京市、上海市、廣東省和湖北省的指南中提到,允許使用連續(xù)監(jiān)測的方法確定溫室氣體排放量。北京市要求采用連續(xù)監(jiān)測方法獲得的數(shù)據(jù)不確定性不能高于采用核算方法的計算結(jié)果,與歐盟第一個碳排放權(quán)交易期的規(guī)定類似。上海市要求根據(jù)連續(xù)監(jiān)測方法量化的排放量應通過核算方法進行驗證,與歐盟和美國的規(guī)定類似。這些指南對于如何應用連續(xù)監(jiān)測方法缺乏詳細的技術(shù)要求,如監(jiān)測參數(shù)、監(jiān)測要求、質(zhì)量保證和質(zhì)量控制措施等。在全國范圍內(nèi),2013—2015年我國發(fā)布了3批涵蓋24個主要行業(yè)的溫室氣體排放核算方法與報告指南,但均未提及應用連續(xù)監(jiān)測的方法確定溫室氣體排放量。

但是在中國碳市場試點過程中,已有企業(yè)聚焦碳排放在線監(jiān)測與管理平臺的研究與應用。國家能源集團龍源電力碳資產(chǎn)公司建成行業(yè)首個燃料端碳排放在線監(jiān)測系統(tǒng),已通過長期試運行測試,實現(xiàn)了100%碳排放指標數(shù)據(jù)的全自動實時采集、傳輸、計算和分析,全流程排除人為因素干擾,確保碳排放數(shù)據(jù)質(zhì)量[3]。該系統(tǒng)通過對電廠碳氫元素分析儀設(shè)備的系統(tǒng)改造,封閉了碳排放數(shù)據(jù)數(shù)字化傳輸指標,結(jié)合電廠現(xiàn)有廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)、企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)等信息化系統(tǒng),實現(xiàn)碳排放指標數(shù)據(jù)線上采集率百分之百,并可完成排放量和配額的自動計算。

2.1 直接排放過程

直接排放過程產(chǎn)生的二氧化碳排放,在石油化工企業(yè)中往往伴隨有煙塵、氮氧化物、二氧化硫、揮發(fā)性有機物等氣態(tài)污染物。根據(jù)《上海市大氣污染防治條例》中“第六十三條”之規(guī)定,產(chǎn)生粉塵、廢氣的作業(yè)活動具備收集或者消除、減少污染物排放條件的,作業(yè)單位和個人應當按照規(guī)定采取相應的防治措施,不得無組織排放,因此石油化工企業(yè)直接排放二氧化碳一般呈現(xiàn)有組織排放的模式。

在有組織排放二氧化碳過程中,可以通過CEMS的連續(xù)計量設(shè)施測量二氧化碳排放的濃度、流速以及流量,進一步提高二氧化碳排放量核算的精確性?！豆潭ㄎ廴驹磸U氣 二氧化碳的測定 非分散紅外吸收法》(HJ 870—2017)作為國家環(huán)境保護標準,規(guī)定了測定固定污染源廢氣中二氧化碳的非分散紅外吸收法,該方法適用于石油化工企業(yè)直接排放廢氣中二氧化碳的測定,檢出限為0.03%(0.6 g/m3),測定下限為0.12%(2.4 g/m3)。

直接排放過程產(chǎn)生的碳排放在線監(jiān)測系統(tǒng)由氣態(tài)污染物(CO2)監(jiān)測子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸與處理子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)(煙氣流速、溫度、壓力、濕度等)測量子系統(tǒng)等組成。氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)主要由取樣探頭、伴熱管線、預處理單元、分析儀組成,其運行原理為通過加熱抽取法(抽取冷凝法)將煙道中的氣體取出并輸送到預處理單元,預處理單元將煙道中的氣體經(jīng)預處理后送入分析儀表。

通過在線氣體分析儀表(煙氣分析儀)對煙氣中二氧化硫參數(shù)進行連續(xù)監(jiān)測,將測量數(shù)據(jù)顯示在儀表上,最后通過數(shù)采儀或虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳到環(huán)保監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具有現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時傳送、儲存、報表統(tǒng)計和圖形數(shù)據(jù)分析等功能,可將各數(shù)據(jù)傳輸至分散控制系統(tǒng)(DCS),工作現(xiàn)場實現(xiàn)無人值守[4]。

2.2 間接排放過程

間接排放指排放主體因使用外購的電力和熱力等所導致的溫室氣體排放,該部分排放源于電力和熱力的生產(chǎn)。電力和熱力排放中,活動水平數(shù)據(jù)指電力和熱力等的消耗量。

對于活動水平數(shù)據(jù),由于電力和熱力均為外購,在石油化工企業(yè)內(nèi)一般都具有完備的計量器具。同時,根據(jù)國家發(fā)展改革委和質(zhì)檢總局2017年發(fā)布的《重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)推廣建設(shè)工作方案》,作為當?shù)刂攸c用能單位的各石油化工企業(yè)均建設(shè)了全面的一級、二級、三級能源計量在線監(jiān)測系統(tǒng),可以實時提供企業(yè)內(nèi)各級用能單元的活動水平數(shù)據(jù)。

對于排放因子,該參數(shù)一般由行政主管部門或者碳排放核查規(guī)則制定單位確定。以電力為例,生態(tài)環(huán)境部于2022年3月發(fā)布《關(guān)于做好2022年企業(yè)溫室氣體排放報告管理相關(guān)重點工作的通知》(環(huán)辦氣候函[2022]111號),將全國電網(wǎng)排放因子調(diào)整為0.581 kg/kWh。而在此之前國家發(fā)改委在2017年發(fā)布了2015年的數(shù)據(jù)(0.610 kg/kWh),在八大行業(yè)的核查工作中從2016年開始一直沿用至2020年。2021年12月,生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南 發(fā)電設(shè)施(2021年修訂版)》(征求意見稿),將全國電網(wǎng)排放因子更新為0.584 kg/kWh,在2022年修訂版中正式更新為0.581 kg/kWh(相比2015年下降了4.77%)。此外,大部分省級電網(wǎng)按照省級行政區(qū)域邊界制定了地方平均二氧化碳排放因子,此類省級電網(wǎng)排放因子也作為“十三五”以來地區(qū)溫室氣體清單編制工作及碳排放核查工作中核算電力間接排放的依據(jù)。上述排放因子的核算模式也同樣適用于熱力間接排放工作。

根據(jù)上述對活動水平數(shù)據(jù)和排放因子的分析,石油化工企業(yè)碳排放在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)需要基于能耗在線監(jiān)測系統(tǒng),在能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)中賦予電力消耗和熱力消耗相應的全國或者地方排放因子,以監(jiān)控各單元的碳排放間接排放情況。

3 碳排放在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

綜合上述對直接排放過程和間接排放過程碳排放數(shù)據(jù)在線監(jiān)測和核查計算原則的分析,設(shè)計了一套石油化工企業(yè)全過程碳排放在線監(jiān)測系統(tǒng)(見圖1):(1)該系統(tǒng)基于HJ 870—2017的煙氣CEMS,在線監(jiān)控直接排放過程;(2)基于重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)賦定的排放因子缺省值,在線監(jiān)控間接排放過程。

圖1 石油化工企業(yè)全過程碳排放在線監(jiān)測系統(tǒng)示意

以上?；瘜W工業(yè)區(qū)內(nèi)某大型化工企業(yè)為例,該企業(yè)作為上海市第一批碳排放交易試點企業(yè),自2013年開始參與了多輪次碳排放交易工作。企業(yè)的碳排放過程包括直接排放(天然氣、有機液體燃料、有機氣體燃料的燃燒排放)和間接排放(外購電力和外購蒸汽的排放)。通過文章設(shè)計的石油化工企業(yè)全過程碳排放在線監(jiān)測系統(tǒng),安裝了3套煙氣CEMS以及電力和蒸汽能耗在線監(jiān)測系統(tǒng),可以實現(xiàn)對所有排放過程的實時監(jiān)控和管理。

4 結(jié)語

2021年我國石油化工產(chǎn)業(yè)總的能源消耗為195 Mt(以標煤計),總的二氧化碳排放量為445 Mt,占我國二氧化碳排放總量的4%左右。作為國內(nèi)碳排放占比較大的產(chǎn)業(yè),石油化工企業(yè)在“雙碳”工作中面臨著巨大的挑戰(zhàn)和壓力。建立一套切實有效的全過程碳排放在線監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)控生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的碳排放情況及相關(guān)活動水平數(shù)據(jù),為“雙碳”目標的實施提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及工作導向。