國內(nèi)固定排放源二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測應(yīng)用現(xiàn)狀和問題初探

郁 丹 唐 人 王艾榮

(1.浙江華云電力工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司,杭州;2.國瑞沃德(北京)低碳經(jīng)濟(jì)技術(shù)中心,北京)

0 引言

目前,我國溫室氣體排放核算與報(bào)告工作多依賴于排放因子法,即便是納入全國碳排放權(quán)交易市場(以下簡稱全國碳市場)的重點(diǎn)排放單位,其碳排放量也基本采用此方法計(jì)算,鮮有基于連續(xù)監(jiān)測法的實(shí)測數(shù)據(jù)。隨著我國“雙碳”戰(zhàn)略的推進(jìn)和全國碳市場的構(gòu)建,在政策和市場的雙重作用下,我國亟待建立更加科學(xué)、高效、可持續(xù)的碳監(jiān)測機(jī)制。相關(guān)研究表明,通過連續(xù)監(jiān)測得出的數(shù)據(jù)穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高[1]。根據(jù)我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的“十四五”發(fā)展目標(biāo),國家逐步將溫室氣體監(jiān)測納入常規(guī)監(jiān)測體系,連續(xù)監(jiān)測將是溫室氣體排放量輔助核算體系的重要支撐及碳排放監(jiān)管的重要方式之一?；谔急O(jiān)測技術(shù)研究的重要意義,本文將總結(jié)國內(nèi)外連續(xù)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀,分析國內(nèi)二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測面臨的主要問題,結(jié)合我國相關(guān)政策要求,提出促進(jìn)國內(nèi)企業(yè)應(yīng)用和管理連續(xù)監(jiān)測技術(shù)的相關(guān)建議。

1 碳監(jiān)測概述

1.1 碳監(jiān)測的定義和分類

碳監(jiān)測是指通過綜合觀測、數(shù)值模擬、統(tǒng)計(jì)分析等手段,獲取溫室氣體排放強(qiáng)度、環(huán)境中濃度、生態(tài)系統(tǒng)碳匯,以及影響生態(tài)系統(tǒng)的碳源匯狀況及其變化趨勢信息的過程[2]。從碳源和碳匯的角度來劃分,碳監(jiān)測分為排放源監(jiān)測、環(huán)境濃度監(jiān)測和生態(tài)系統(tǒng)碳匯監(jiān)測。由于監(jiān)測目標(biāo)不同,3類碳監(jiān)測所需的碳監(jiān)測方法不同,排放源監(jiān)測一般采用排放因子法或連續(xù)監(jiān)測法,環(huán)境濃度監(jiān)測采用衛(wèi)星觀測,生態(tài)系統(tǒng)碳匯監(jiān)測采用衛(wèi)星遙感等碳監(jiān)測方法。碳監(jiān)測分類及相應(yīng)的碳監(jiān)測方法如圖1所示。

圖1 碳監(jiān)測分類及相應(yīng)的碳監(jiān)測方法

排放源監(jiān)測是碳監(jiān)測的重點(diǎn)。排放源監(jiān)測是對(duì)能源活動(dòng)、工業(yè)過程等典型源的溫室氣體排放進(jìn)行監(jiān)測。排放源包括固定源、移動(dòng)源和逸散源等不同類別。固定源是二氧化碳排放的主要來源,其碳監(jiān)測方法包括排放因子法和連續(xù)監(jiān)測法,傳統(tǒng)上以排放因子法為主。連續(xù)監(jiān)測法能夠?qū)崿F(xiàn)碳排放數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳和自動(dòng)生成,具有原始數(shù)據(jù)分析量少、精確度高、人為影響因素少等優(yōu)點(diǎn)[3],是固定源碳監(jiān)測的主要發(fā)展方向。

1.2 CO2-CEMS的組成及技術(shù)原理

二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CO2-continuous emission monitoring system,簡稱CO2-CEMS)是一套能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)監(jiān)測固定源煙氣中二氧化碳濃度和排放量的自動(dòng)化設(shè)備,是通過連續(xù)監(jiān)測法測定固定源碳排放最為成熟的應(yīng)用形式。它主要適用于固定源排放口數(shù)量單一的行業(yè)[4],如火電、鋼鐵和水泥等行業(yè)。

1.2.1CO2-CEMS的組成

CO2-CEMS由二氧化碳濃度監(jiān)測,煙氣參數(shù)監(jiān)測,大氣壓力監(jiān)測,數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸四大子系統(tǒng)組成,其主要設(shè)備包括樣品采集和傳輸裝置、預(yù)處理設(shè)備、分析儀器、數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備及其他輔助設(shè)備等。CO2-CEMS的組成如圖2所示。

圖2 CO2-CEMS的組成

1.2.2CO2-CEMS的技術(shù)原理

CO2-CEMS的技術(shù)原理是將監(jiān)測到的二氧化碳體積濃度、煙氣溫度、煙氣靜壓、濕煙氣平均流速、煙氣濕度和大氣壓力的數(shù)值傳輸至數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng);然后經(jīng)過該子系統(tǒng)后臺(tái)的數(shù)據(jù)處理,計(jì)算出每小時(shí)煙氣二氧化碳排放質(zhì)量流率;最后累加得出每天、每月和每年的二氧化碳排放量[5]。CO2-CEMS的技術(shù)原理如圖3所示。

圖3 CO2-CEMS的技術(shù)原理

在CO2-CEMS各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)中,二氧化碳體積濃度是最核心的指標(biāo)之一。二氧化碳體積濃度的分析主要采用現(xiàn)代光學(xué)測量技術(shù),根據(jù)分子吸收光譜的原理,利用光強(qiáng)被氣體吸收的程度來反演出待測氣體的濃度,包括非分散紅外及傅里葉變換紅外光譜檢測技術(shù)等[6]。

2 國外碳排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

CO2-CEMS在美國、歐盟等國家和地區(qū)得到了較好的重視,開展了一定的實(shí)踐和應(yīng)用。

2.1 美國

美國是全球第二大碳排放國,近年來,美國應(yīng)對(duì)氣候變化的政策出現(xiàn)了積極變化。在政府公開的氣候主張中,確定了電力行業(yè)碳中和的先行目標(biāo)。為了有效控制溫室氣體排放,美國采取了一系列措施對(duì)電力行業(yè)的溫室氣體排放進(jìn)行監(jiān)測與限制,為連續(xù)監(jiān)測提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐和制度依據(jù)。美國碳監(jiān)測相關(guān)政策要求見表1。

表1 美國碳監(jiān)測相關(guān)政策要求

連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)在美國已有50多年的發(fā)展歷史[9]。目前,美國25 MW以上的火電廠均已安裝了CO2-CEMS,電力行業(yè)碳交易市場采用的數(shù)據(jù)以連續(xù)測量數(shù)據(jù)為主。美國碳排放連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量保障主要通過3種途徑實(shí)現(xiàn)：一是要求監(jiān)測設(shè)備與指定機(jī)構(gòu)在法律責(zé)任上綁定;二是建立數(shù)字質(zhì)量保障系統(tǒng),對(duì)比歷史數(shù)據(jù)、相似設(shè)備數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)[10];三是建立碳排放年度報(bào)告核查制度,電廠需要自行認(rèn)證并提交碳排放年度報(bào)告,碳排放報(bào)告系統(tǒng)對(duì)年度報(bào)告進(jìn)行自動(dòng)檢查,并向電廠提供反饋核查結(jié)果,反饋無錯(cuò)誤的完成核查工作,對(duì)于存在潛在錯(cuò)誤的電廠或設(shè)備,美國環(huán)保署將進(jìn)行現(xiàn)場審核。2015年,美國執(zhí)行《聯(lián)邦法律匯編第40卷第75部分——煙氣排放連續(xù)排放監(jiān)測手冊(cè)》進(jìn)行碳監(jiān)測統(tǒng)計(jì)的火電廠的碳排放量占總排放量的95%以上,其中,火電機(jī)組安裝CO2-CEMS進(jìn)行二氧化碳排放監(jiān)測的比例為73.9%[11],安裝CO2-CEMS進(jìn)行二氧化碳排放監(jiān)測已經(jīng)是美國較為普及的手段。

2.2 歐盟

歐盟委員會(huì)自2005年啟動(dòng)歐盟碳排放交易系統(tǒng),正式要求在歐盟成員國監(jiān)測二氧化碳排放量,并陸續(xù)出臺(tái)了一系列政策文件,逐漸確認(rèn)了二氧化碳連續(xù)監(jiān)測的地位。隨著監(jiān)測技術(shù)的不斷進(jìn)步,歐盟委員會(huì)及時(shí)調(diào)整、充實(shí)、完善條例和法規(guī)。歐盟碳監(jiān)測相關(guān)政策要求見表2。

表2 歐盟碳監(jiān)測相關(guān)政策要求

在CO2-CEMS應(yīng)用方面,歐盟通過一系列指令,明確了CO2-CEMS在二氧化碳排放監(jiān)測技術(shù)中的地位。同時(shí),歐盟為保證CO2-CEMS系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)的中立性和客觀性,規(guī)定第三方核查機(jī)構(gòu)應(yīng)獨(dú)立于運(yùn)營商;同時(shí),要建立起一套申請(qǐng)、建設(shè)、實(shí)施和維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)流程,定期檢測核查人員的績效情況,以確保核查人員的能力實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步提升。但在實(shí)踐中,歐盟使用連續(xù)監(jiān)測方法的案例較少。2019年,只有155個(gè)設(shè)施(占總設(shè)施數(shù)的1.5%)采用了連續(xù)監(jiān)測方法。歐盟內(nèi)部連續(xù)監(jiān)測的方法未被廣泛采用的原因是其需要配套相關(guān)的監(jiān)測設(shè)施,同時(shí)煙氣中相關(guān)溫室氣體的濃度測量等工作需要專業(yè)人員的操作才能完成[13]。

3 我國二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測的現(xiàn)狀與問題

我國碳排放連續(xù)監(jiān)測仍處于試點(diǎn)階段,相關(guān)技術(shù)規(guī)范及操作細(xì)則不完善,應(yīng)用較少。

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

在政策方面：為了有效推動(dòng)碳監(jiān)測的發(fā)展,2019—2021年,生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃綱要(2020—2035年)》《碳監(jiān)測評(píng)估試點(diǎn)工作方案》(環(huán)辦監(jiān)測〔2021〕435號(hào))和《“十四五”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃》(環(huán)監(jiān)測〔2021〕117號(hào)),分別提出了“在不大規(guī)模增加資金投入的前提下,將溫室氣體監(jiān)測納入常規(guī)監(jiān)測體系統(tǒng)籌設(shè)計(jì)”“選擇火電、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)開展溫室氣體監(jiān)測試點(diǎn)”“系統(tǒng)謀劃覆蓋點(diǎn)源、城市、區(qū)域等不同尺度的碳監(jiān)測評(píng)估業(yè)務(wù)”等要求。

在相關(guān)核算標(biāo)準(zhǔn)或指南中對(duì)連續(xù)監(jiān)測的規(guī)定方面：2016—2019年,國家發(fā)展改革委發(fā)布了GB/T 32150—2015《工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算和報(bào)告通則》及12個(gè)行業(yè)的碳排放核算國家標(biāo)準(zhǔn),提出采用實(shí)測法,即通過安裝CO2-CEMS相關(guān)儀器設(shè)備測量溫室氣體排放量。2021年3月,生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《企業(yè)溫室氣體排放報(bào)告核查指南(試行)》,要求開展企業(yè)碳排放核查,并在數(shù)據(jù)質(zhì)量控制計(jì)劃中明確了對(duì)監(jiān)測活動(dòng)的要求。北京、上海等試點(diǎn)碳市場也提出企業(yè)可采用實(shí)時(shí)監(jiān)測法測量二氧化碳排放量。

在碳排放連續(xù)監(jiān)測專項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面：2021年12月,國家能源局發(fā)布了國內(nèi)首個(gè)二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——DL/T 2376—2021《火電廠煙氣二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》,為碳排放連續(xù)監(jiān)測的實(shí)施提供了操作層面的技術(shù)支撐。同時(shí),中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)、中國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)等相關(guān)行業(yè)協(xié)會(huì)也相繼發(fā)布了T/CAEPI 48—2022《固定污染源二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》、T/HBJN 0002.1—2022《固定污染源煙氣中二氧化碳的監(jiān)測指南 第1部分：鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)》、T/CAS 454—2020《火力發(fā)電企業(yè)二氧化碳排放在線監(jiān)測技術(shù)要求》及T/LCAA 02—2020《水泥行業(yè)溫室氣體排放監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》等通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。

相較于歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)明確要求應(yīng)用煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測二氧化碳排放量,我國碳監(jiān)測體系起步較晚,目前,碳排放連續(xù)監(jiān)測仍然處于試點(diǎn)階段。同時(shí),碳排放連續(xù)監(jiān)測相關(guān)技術(shù)規(guī)范及操作細(xì)則等有待完善,使得連續(xù)監(jiān)測難以落地實(shí)施。目前,全國碳市場還沒有應(yīng)用CO2-CEMS測定的碳排放數(shù)據(jù),僅有少數(shù)工業(yè)企業(yè)試點(diǎn)了連續(xù)監(jiān)測法。

3.2 存在的主要問題

3.2.1二氧化碳連續(xù)監(jiān)測尚未規(guī)?；瘧?yīng)用

根據(jù)國家環(huán)保監(jiān)管要求,目前我國很多火電、水泥企業(yè)安裝了煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng),主要用于SO2、NOx等污染物的連續(xù)監(jiān)測。理論上,這些企業(yè)具備同時(shí)測量二氧化碳排放量的條件。但由于國家尚未強(qiáng)制要求企業(yè)增加二氧化碳連續(xù)監(jiān)測模塊,因此僅有少量火電企業(yè)具備直接監(jiān)測二氧化碳排放量的能力。

3.2.2數(shù)據(jù)質(zhì)量不滿足應(yīng)用要求

目前,國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)的常規(guī)污染物連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)存在不同程度的數(shù)據(jù)缺失、不完整和失真等問題[14],數(shù)據(jù)質(zhì)量不足以支撐其在碳監(jiān)測中的應(yīng)用。同時(shí),國內(nèi)連續(xù)監(jiān)測校準(zhǔn)技術(shù)落后,以人工校準(zhǔn)、測量為主的校準(zhǔn)方式在一定程度上也影響了監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3.2.3專業(yè)人才缺乏

目前,國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)缺少熟悉自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備維護(hù)和校準(zhǔn)技術(shù)的專業(yè)人員,需要委托第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)提供技術(shù)支持。由于各個(gè)企業(yè)安裝設(shè)備型號(hào)、技術(shù)原理等千差萬別,如遇到突發(fā)故障,第三方機(jī)構(gòu)無法保證及時(shí)、有效地解決所有問題,最終還是要聯(lián)系生產(chǎn)廠家。這就導(dǎo)致維修周期變長、監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)性變差,影響碳監(jiān)測的實(shí)施效果[15]。

4 加強(qiáng)我國工業(yè)企業(yè)碳監(jiān)測管理的建議

隨著我國統(tǒng)一碳市場的建立和完善,越來越多的工業(yè)企業(yè)將被納入碳市場,企業(yè)碳排放管理的要求也越來越高。以CO2-CEMS為代表的二氧化碳連續(xù)監(jiān)測技術(shù)的推廣,不僅有利于企業(yè)提高以碳排放數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的碳資產(chǎn)管理水平,還有利于提高減排數(shù)據(jù)的公信力,促進(jìn)碳交易產(chǎn)品的互認(rèn)等。因此,我國亟待加強(qiáng)工業(yè)企業(yè)二氧化碳連續(xù)監(jiān)測工作。為此提出如下建議。

4.1 加大工業(yè)企業(yè)二氧化碳連續(xù)監(jiān)測設(shè)備配套

對(duì)于已經(jīng)安裝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的工業(yè)企業(yè),建議利用現(xiàn)有的技術(shù)條件,增設(shè)二氧化碳監(jiān)測模塊,如利用原有連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的取樣探頭、煙氣預(yù)處理系統(tǒng)、反吹掃、校準(zhǔn)維護(hù)等設(shè)備,降低改造范圍和減少軟硬件設(shè)備投資;對(duì)于排放量大的固定源排放企業(yè),可酌情配置一套CO2-CEMS,以實(shí)現(xiàn)企業(yè)碳排放測量精度的提升。同時(shí),考慮到連續(xù)監(jiān)測對(duì)煙氣流量測量精度要求較高,條件具備時(shí)可對(duì)現(xiàn)有煙氣流速測量設(shè)備進(jìn)行升級(jí)。

4.2 提升碳排放連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量

對(duì)火電行業(yè)而言,在原有煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)建立的數(shù)據(jù)報(bào)送、傳輸和審核等質(zhì)量控制體系基礎(chǔ)上,建議嚴(yán)格按照現(xiàn)有火電廠連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范的要求,制定碳監(jiān)測計(jì)劃,包括對(duì)煙氣流速和二氧化碳濃度測量制定不同的不確定度要求,執(zhí)行監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失處理、報(bào)告模板,以及質(zhì)量控制和質(zhì)量保證措施等要求。對(duì)鋼鐵、水泥等高耗能行業(yè),建議密切跟蹤全國碳市場建設(shè)進(jìn)展,排放大戶可嘗試參照火電行業(yè)二氧化碳連續(xù)監(jiān)測的要求開展相關(guān)監(jiān)測工作,加強(qiáng)碳排放數(shù)據(jù)的精細(xì)化管理。

在連續(xù)監(jiān)測設(shè)備定期校準(zhǔn)方面,建議相關(guān)企業(yè)要逐步實(shí)現(xiàn)從人工校準(zhǔn)到自動(dòng)校準(zhǔn)的過渡,探索連續(xù)校準(zhǔn)電子系統(tǒng)的應(yīng)用等。

4.3 加強(qiáng)碳排放連續(xù)監(jiān)測人才培養(yǎng)

針對(duì)連續(xù)監(jiān)測運(yùn)行維護(hù)方面存在的人員不足、專業(yè)能力不夠等問題,建議企業(yè)加強(qiáng)專業(yè)人員培養(yǎng),建設(shè)連續(xù)監(jiān)測人才隊(duì)伍,設(shè)置專職崗位。除了完成監(jiān)測系統(tǒng)日常巡檢以外,專職人員也要承擔(dān)定期測試、校準(zhǔn)和修理等工作,對(duì)于連續(xù)監(jiān)測中出現(xiàn)的問題能夠作出規(guī)范和高效的響應(yīng)。

5 結(jié)束語

目前,全國碳市場已進(jìn)入第二個(gè)履約周期,碳監(jiān)測評(píng)估試點(diǎn)工作也將進(jìn)一步深化,二氧化碳排放連續(xù)監(jiān)測對(duì)于確保碳排放數(shù)據(jù)質(zhì)量、保證未來全國碳市場的安全穩(wěn)定運(yùn)行及實(shí)現(xiàn)國家“雙碳”目標(biāo)愈發(fā)重要。本文通過分析美國和歐盟碳排放連續(xù)監(jiān)測的應(yīng)用情況,對(duì)比分析了我國碳排放連續(xù)監(jiān)測的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的主要問題,提出了加大工業(yè)企業(yè)二氧化碳連續(xù)監(jiān)測設(shè)備配套、提升碳排放連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量和加強(qiáng)碳排放連續(xù)監(jiān)測人才培養(yǎng)方面的建議。