“雙碳”目標視角下燃煤電廠碳計量方法的研究

摘要：隨著全球能源需求的增長和環保要求的提高，燃煤電廠的碳排放問題變得尤為突出。通過對“雙碳”目標下燃煤電廠碳排放核算方法展開研究，系統地總結目前常用的碳排放核算方法，并對其進行比較和評價，提出對碳排放計量方法的進一步研究展望，對指導“雙碳”目標的實施和燃煤電廠的碳減排具有一定的理論和實踐意義。

關鍵詞：“雙碳”目標；燃煤電廠；碳計量

基金項目：2023年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“‘雙碳’目標下燃煤電廠碳排放核算方法的研究”（2023KY1372）；2024年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“火電廠碳減排分析與對策研究及應用”（2024KY1388）

引言

近年來，全球氣候變化對人類生產生活的不利影響越來越突出，應對氣候變化已經成為人類社會共同面臨的最嚴峻挑戰之一。2019 年，我國碳排放占全球的29%，排名第1。對此，我國制定了“雙碳”戰略目標。電力行業作為主要的碳排放源之一，在控制和減少碳排放方面發揮著至關重要的作用，對“雙碳”目標的實現具有重要意義。

據統計，電力行業的CO2排放約占我國總排放的50%，且主要來自于燃煤電廠。燃煤電廠主要通過燃燒煤炭進行發電，而煤炭燃燒過程中產生的主要溫室氣體是CO2，因此燃煤電廠的CO2排放計量非常重要，對于實現“雙碳”目標具有重要影響。然而，目前的燃煤電廠CO2排放計量方法尚存在一些問題，如計量不準確、數據缺失、統計方法不統一等，對燃煤電廠CO2排放的準確了解和控制產生嚴重影響。因此，研究燃煤電廠CO2計量方法，提高計量的準確性和一致性，在“雙碳”目標早日實現背景下具有重大的現實意義和應用價值，可準確地評估電廠的碳排放狀況，促進燃煤電廠向更為環保、更加高效率的發展方向轉變，有助于“雙碳”目標的最終實現。

1碳計量方法

目前，全球范圍內CO2排放的測量手段，根據數據的獲得途徑與精確性級別劃分為2大類，即核算法和實測法。而世界上普遍采用的核算法有排放因子法和質量平衡法，這2種方法均能準確測定CO2排放量。除此之外，模型法和生命周期法也是燃煤電廠CO2排放計量中的2種重要方法。

1.1排放因子法

排放因子法由聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）指南提出，是定量計算CO2排放的一種最為廣泛使用的方法，通過活動數據與排放因子相乘來計算溫室氣體的排放量。我國燃煤發電行業目前普遍采用的標準是《溫室氣體排放核算與報告要求 第1部分：發電企業》（GB/T 32151.1-2015），以指導發電企業進行CO2排放的核算。計算公式如式（1）、式（2）、式（3）、式（4）所示[1]。

式中 E—CO2總排放量，t；E燃燒—燃料燃燒產生的CO2排放； E脫硫—脫硫過程中的CO2排放； E外購電—購買外部電力產生的CO2排放；ADi—第 i 種燃料的活動量表征值，TJ；EFi—第i 種燃料的排放因子，t/TJ（以CO2計）；CALK—第 k 種脫硫劑中碳酸鹽消耗量，t；EFK—第 k 種脫硫劑中碳酸鹽的排放因子，t/t（以CO2計）；AD外購電—企業的凈購入電量，MWh；EF外購電—區域電網年平均供電排放因子，t/MWh（以CO2 計）。

又因不用來源排放因子不同，清單指南分層級給出3種CO2排放清單編制方法，促進計算精度逐漸提升 [1]，如表1所示。排放因子法操作簡便，可在沒有詳細檢測數據的情況下開展碳計量。但直接使用缺省值，并不能完全符合我國燃煤電廠的具體情況，進而影響排放數據的準確性。如，JEON E C等[2]對位于韓國的一個燃煤發電廠進行現場測試，測試內容包括煤炭的熱量價值、碳含量、氫含量及排放煙氣中的CO2濃度，基于這些測試數據計算得到相應的排放因子，進而計算出不同類型燃煤的碳排放量。研究表明，與IPCC建議的默認排放因子相比，無煙煤、煙煤和次煙煤的碳排放量分別為10.8%、5.5%和1.9%。

1.2質量平衡法

質量平衡法是基于質量守恒的原則，通過對某一過程中所有進入和離開系統的碳組分進行核算，按式（5）計算出系統的凈碳排放量。

式中 E—CO2排放量，t； G投入—投入原料的含碳量，t； G產出—產出的含碳量，t； G廢物—輸出的廢物含碳量，t。

段升飛[3]通過質量平衡法，假設燃燒產生的CO、CO2、THC（總碳氫化物）及固體顆粒物中的碳的轉化率均為100%，據此計算CO2的排放因子。譚超 [4]考慮3個場景下的碳氧化率，在理論上的100%氧化率、無爐渣飛灰含碳量下的氧化率及實際測量的氧化率情況下，運用質量平衡法計算電廠的CO2排放總量，并對這些排放因子和氧化率進行修正。

通過研究發現，采用質量平衡法計算出的CO2排放量與電廠實際排放量最為接近。然而，質量平衡法的準確度很大程度上取決于對電廠煤炭使用量及其它相關數據的精確獲取。質量平衡法在數據充足的情況下能較準確地估計CO2碳排放量，但有很大的局限性，要求收集的數據必須完整精確，當系統中的交互過程復雜時，利用質量平衡法計算就會變得異常復雜和艱巨。

1.3 實測法

通過連續排放監測系統（CEMS）測定氣體的成分、濃度和氣體排放的速率等參數，直接量化和記錄實際CO2排放的技術和方法。計算公式如式（6）所示。

式中 E—CO2排放量，t；K—修正參數；C—測量期間的平均污染物濃度，mg/m3（以CO2計）；Q—流量（單位時間內氣體通過排放點的體積），m3/h；T—時間因子（將測量值轉換為所需的時間單位的排放量），h。

實測法被認為是精確度最高的監測手段，能夠提供準確和實時的排放數據，對于驗證和報告碳排放至關重要。但實測法在設備成本、技術專業性和數據管理的實施上存在一定的挑戰，實測設備通常價格昂貴，且維護和操作成本較高。在歐美國家，實測法的應用已經相當成熟，并形成了較為全面的碳排放數據庫。如，SCHIVLEY G等[5]在其研究中使用了美國電力行業的CEMS所收集的歷史數據，分析了2001～2017年美國不同區域的年度、季度和月度碳排放強度，發現由于可再生能源發電比例的增加，美國的CO2排放強度減少了約30%。

當前，我國燃煤電廠普遍采用在線監控系統來跟蹤氮氧化物（NOx）的排放情況。而對CO2的在線監測則相對較少，主要因為CO2在線監測設備和維護成本較高，同時其測量的準確性也受到監測設備的精度和穩定性影響，因此目前我國配備完整CO2在線監測系統的電廠數量并不多。由于我國燃煤電廠中存在較為普遍的煤炭與其它物質混燃的情況，因而使用實測法得到的監測數據要比核算法更為可靠。隨著“雙碳”目標的提出與推進，燃煤發電企業現已成為實測法的示范單位，可以預見實測法計量燃煤電廠的CO2排放將會迎來迅猛發展。

1.4 其它方法

模型法是通過建立數學模型來估算生產過程中碳排放的分析方法。常見的碳排放計量模型有STIRPAT 模型、KAYA模型和 IPAT 模型等。這些模型通常被用于預測全球、某國家或某區域在特定情境下的能源結構、環境政策、人口變化、經濟發展等多種因素對CO2排放的影響和變化規律。而用于預測單個燃煤電廠CO2排放的模型研究還相對較少，目前尚未建立統一的預測模型。

根據國際標準化組織（ISO）對生命周期法的定義，生命周期法（ LCA）是一種針對產品生存期內全過程直接和間接對環境產生的影響進行收集和評估的方法。燃煤電廠的CO2排放主要發生在生產準備、生產過程和廢物處理3個階段。與以上3種主要關注于電廠生產過程排放的核算方法不同，LCA可以更全面地覆蓋燃煤電廠的碳排放源，具有更廣的計算邊界。

2碳計量方法的對比分析

碳排放的核算結果因所采用的測量方法不同而差異較大。如，基于美國環境保護署（EPA）清潔空氣市場部（CAMD）和美國能源信息署（EIA）公布的燃煤電廠碳排放數據，ACKERMAN K V等[6]采用核算法和實測法對美國持續性CO2排放進行計算時發現，在估算到單個發電廠的排放量時，平均絕對誤差顯著增大，分別達到了16.9%和25.3%。QUICK J C[7]對基于這2種數據來源計算的CO2排放量進行對比，得出基于核算法的EIA數據與基于實測法的CAMD數據計算結果之間的年度CO2排放量存在高達±10.8%的差異，發現前者相對后者具有更高的準確性。裴冰等[8]分別采用基于IPCC指南缺省值的排放因子法和實測法，對某320MW機組在不同負荷下的CO2排放量進行核算和測試，結果表明基于指南缺省值的排放因子法核算的CO2排放量與基于實測法的CO2排放量之間的相對偏差約為30%。

由此可見，不同碳計量的結果往往存在差異，尤其采用缺省值的排放因子法，與實測法的結果相比差異較大。究其原因，主要是由于實測法是基于特定發電機組或設施的實際排放數據進行測量，反映的是該特定情況下的確切排放情況，而缺省值的排放因子法采用的是一種更為通用的估算方法，是基于一系列標準或平均情況來設定排放因子，未能準確反映特定設施或條件下的實際排放情況，不能涵蓋所有個體差異；同時，還可能是由于它們在數據來源、考慮的具體性與通用性及可適用性方面本質的區別所導致。

3研究展望

近年來，我國碳排放計量體系正朝著“核算為主，監測為輔”的核算模式邁進。在國際上，排放因子法因其廣泛的適用性和相對簡單的計算流程而被普遍采用。然而，若直接應用IPCC指南缺省值來計算我國的燃煤電廠碳排放，可能會導致較為顯著的誤差。質量平衡法需要通過構建碳平衡才能計算燃煤電廠的碳排放量，計算步驟較為復雜，且需數據完整。實測法可提供更準確的碳排放數據，但其準確性受到測量技術、設備校準、數據處理等因素的影響。

通過對比分析，核算法的誤差主要源于排放因子的準確性不足，實測法的誤差主要源于對煙氣流量和CO2濃度測量的準確性不足。未來可從3個方面開展研究，即①深度分析核算方法中的不確定性因素，以便對核算法和在線監測技術進行改進和優化；②建立碳排放基礎數據庫，利用先進技術進行實時數據分析和更新，提高排放因子的準確性和適用性，降低碳計量誤差；③ 建立統一、科學的燃煤電廠碳排放核算體系，研究開發相關碳核算法律法規、標準、技術規范，或建立各碳計量方法結果之間相互換算的方法，利于各國各地區開展談判和履約。

結語

通過對燃煤電廠碳計量方法進行深入探討與分析，尋找更有效的碳排放監測與評估手段，可支持燃煤電廠在減碳轉型的道路上取得實質性進展。研究表明，準確、高效的碳計量對于實現“雙碳”目標具有不可或缺的作用，盡管目前的碳計量方法已取得一定成果，但仍面臨著標準化不足、技術手段有限和數據管理復雜等挑戰，需要進一步改進和完善。通過上述研究，期望為碳計量方法的改進和燃煤電廠的碳減排提供理論支持和實踐指導，共同推動能源產業的可持續發展，為實現“雙碳”目標貢獻力量。

參考文獻

[1]王萍萍，趙永椿，張軍營，等.“雙碳”目標下燃煤電廠碳計量方法研究進展[J].潔凈煤技，2022，28（10）：170-183.

[2] JEON E C， MYEONG S， SAJ W， et al. Greenhouse Gas Emission Factor Development For Coal-fired Power Plants in Korea[J]. Applied Energy， 2010， 87（01）： 205-210.

[3]段升飛.固體燃料燃燒產生多環芳烴及含氧多環芳烴排放因子與排放特征的研究[D].濟南：山東大學，2021.

[4]譚超.燃煤電廠碳排放監測方法研究[D].廣州：華南理工大學，2018.

[5] SCHIVLEY G， AZEVEDO I， SAMARAS C. Assessing the Evolution of Power Sector Carbon Intensity in the United States[J]. Environmental Research Letters，2018，13（06）：064018.

[6] ACKERMAN K V， SUNDQUIST E T. Comparison of Two U. S.Power-plant Carbon Dioxide Emissions Data sets[J].Environmen tal Science amp; Technology， 2008， 42：5688-5693.

[7] QUICK J C. Carbon Dioxide Emission Tallies for 210 US Coal-fired Power Plants： A Comparison of Two Accounting Methods[J].Journal of the Air amp; Waste Management Association，2014，64（01）：73-79.

[8]裴冰，劉通浩，楊文雨，等.典型燃煤電廠機組二氧化碳排放測試及核算研究[J].中國環境監測，

2023，39（02）：225-231.

作者簡介

李惠（1989—），女，漢族，湖南澧縣人，講師，工程師，碩士，研究方向為環境科學。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-03-28