國內固定排放源二氧化碳排放連續監測應用現狀和問題初探

郁 丹 唐 人 王艾榮

(1.浙江華云電力工程設計咨詢有限公司,杭州;2.國瑞沃德(北京)低碳經濟技術中心,北京)

0 引言

目前,我國溫室氣體排放核算與報告工作多依賴于排放因子法,即便是納入全國碳排放權交易市場(以下簡稱全國碳市場)的重點排放單位,其碳排放量也基本采用此方法計算,鮮有基于連續監測法的實測數據。隨著我國“雙碳”戰略的推進和全國碳市場的構建,在政策和市場的雙重作用下,我國亟待建立更加科學、高效、可持續的碳監測機制。相關研究表明,通過連續監測得出的數據穩定、準確度高[1]。根據我國生態環境監測的“十四五”發展目標,國家逐步將溫室氣體監測納入常規監測體系,連續監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管的重要方式之一。基于碳監測技術研究的重要意義,本文將總結國內外連續監測技術的應用現狀,分析國內二氧化碳排放連續監測面臨的主要問題,結合我國相關政策要求,提出促進國內企業應用和管理連續監測技術的相關建議。

1 碳監測概述

1.1 碳監測的定義和分類

碳監測是指通過綜合觀測、數值模擬、統計分析等手段,獲取溫室氣體排放強度、環境中濃度、生態系統碳匯,以及影響生態系統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,碳監測分為排放源監測、環境濃度監測和生態系統碳匯監測。由于監測目標不同,3類碳監測所需的碳監測方法不同,排放源監測一般采用排放因子法或連續監測法,環境濃度監測采用衛星觀測,生態系統碳匯監測采用衛星遙感等碳監測方法。碳監測分類及相應的碳監測方法如圖1所示。

圖1 碳監測分類及相應的碳監測方法

排放源監測是碳監測的重點。排放源監測是對能源活動、工業過程等典型源的溫室氣體排放進行監測。排放源包括固定源、移動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,其碳監測方法包括排放因子法和連續監測法,傳統上以排放因子法為主。連續監測法能夠實現碳排放數據的實時上傳和自動生成,具有原始數據分析量少、精確度高、人為影響因素少等優點[3],是固定源碳監測的主要發展方向。

1.2 CO2-CEMS的組成及技術原理

二氧化碳排放連續監測系統(CO2-continuous emission monitoring system,簡稱CO2-CEMS)是一套能夠實時、連續監測固定源煙氣中二氧化碳濃度和排放量的自動化設備,是通過連續監測法測定固定源碳排放最為成熟的應用形式。它主要適用于固定源排放口數量單一的行業[4],如火電、鋼鐵和水泥等行業。

1.2.1CO2-CEMS的組成

CO2-CEMS由二氧化碳濃度監測,煙氣參數監測,大氣壓力監測,數據采集、處理與傳輸四大子系統組成,其主要設備包括樣品采集和傳輸裝置、預處理設備、分析儀器、數據采集和傳輸設備及其他輔助設備等。CO2-CEMS的組成如圖2所示。

圖2 CO2-CEMS的組成

1.2.2CO2-CEMS的技術原理

CO2-CEMS的技術原理是將監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值傳輸至數據采集與控制子系統;然后經過該子系統后臺的數據處理,計算出每小時煙氣二氧化碳排放質量流率;最后累加得出每天、每月和每年的二氧化碳排放量[5]。CO2-CEMS的技術原理如圖3所示。

圖3 CO2-CEMS的技術原理

在CO2-CEMS各項監測指標中,二氧化碳體積濃度是最核心的指標之一。二氧化碳體積濃度的分析主要采用現代光學測量技術,根據分子吸收光譜的原理,利用光強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等[6]。

2 國外碳排放連續監測技術發展現狀

CO2-CEMS在美國、歐盟等國家和地區得到了較好的重視,開展了一定的實踐和應用。

2.1 美國

美國是全球第二大碳排放國,近年來,美國應對氣候變化的政策出現了積極變化。在政府公開的氣候主張中,確定了電力行業碳中和的先行目標。為了有效控制溫室氣體排放,美國采取了一系列措施對電力行業的溫室氣體排放進行監測與限制,為連續監測提供了堅實的技術支撐和制度依據。美國碳監測相關政策要求見表1。

表1 美國碳監測相關政策要求

連續監測系統在美國已有50多年的發展歷史[9]。目前,美國25 MW以上的火電廠均已安裝了CO2-CEMS,電力行業碳交易市場采用的數據以連續測量數據為主。美國碳排放連續監測數據的質量保障主要通過3種途徑實現：一是要求監測設備與指定機構在法律責任上綁定;二是建立數字質量保障系統,對比歷史數據、相似設備數據,進行數據檢驗[10];三是建立碳排放年度報告核查制度,電廠需要自行認證并提交碳排放年度報告,碳排放報告系統對年度報告進行自動檢查,并向電廠提供反饋核查結果,反饋無錯誤的完成核查工作,對于存在潛在錯誤的電廠或設備,美國環保署將進行現場審核。2015年,美國執行《聯邦法律匯編第40卷第75部分——煙氣排放連續排放監測手冊》進行碳監測統計的火電廠的碳排放量占總排放量的95%以上,其中,火電機組安裝CO2-CEMS進行二氧化碳排放監測的比例為73.9%[11],安裝CO2-CEMS進行二氧化碳排放監測已經是美國較為普及的手段。

2.2 歐盟

歐盟委員會自2005年啟動歐盟碳排放交易系統,正式要求在歐盟成員國監測二氧化碳排放量,并陸續出臺了一系列政策文件,逐漸確認了二氧化碳連續監測的地位。隨著監測技術的不斷進步,歐盟委員會及時調整、充實、完善條例和法規。歐盟碳監測相關政策要求見表2。

表2 歐盟碳監測相關政策要求

在CO2-CEMS應用方面,歐盟通過一系列指令,明確了CO2-CEMS在二氧化碳排放監測技術中的地位。同時,歐盟為保證CO2-CEMS系統建設和運營維護的中立性和客觀性,規定第三方核查機構應獨立于運營商;同時,要建立起一套申請、建設、實施和維護的標準流程,定期檢測核查人員的績效情況,以確保核查人員的能力實現穩步提升。但在實踐中,歐盟使用連續監測方法的案例較少。2019年,只有155個設施(占總設施數的1.5%)采用了連續監測方法。歐盟內部連續監測的方法未被廣泛采用的原因是其需要配套相關的監測設施,同時煙氣中相關溫室氣體的濃度測量等工作需要專業人員的操作才能完成[13]。

3 我國二氧化碳排放連續監測的現狀與問題

我國碳排放連續監測仍處于試點階段,相關技術規范及操作細則不完善,應用較少。

3.1 發展現狀

在政策方面：為了有效推動碳監測的發展,2019—2021年,生態環境部印發了《生態環境監測規劃綱要(2020—2035年)》《碳監測評估試點工作方案》(環辦監測〔2021〕435號)和《“十四五”生態環境監測規劃》(環監測〔2021〕117號),分別提出了“在不大規模增加資金投入的前提下,將溫室氣體監測納入常規監測體系統籌設計”“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行業開展溫室氣體監測試點”“系統謀劃覆蓋點源、城市、區域等不同尺度的碳監測評估業務”等要求。

在相關核算標準或指南中對連續監測的規定方面：2016—2019年,國家發展改革委發布了GB/T 32150—2015《工業企業溫室氣體排放核算和報告通則》及12個行業的碳排放核算國家標準,提出采用實測法,即通過安裝CO2-CEMS相關儀器設備測量溫室氣體排放量。2021年3月,生態環境部印發了《企業溫室氣體排放報告核查指南(試行)》,要求開展企業碳排放核查,并在數據質量控制計劃中明確了對監測活動的要求。北京、上海等試點碳市場也提出企業可采用實時監測法測量二氧化碳排放量。

在碳排放連續監測專項技術標準方面：2021年12月,國家能源局發布了國內首個二氧化碳排放連續監測行業技術標準——DL/T 2376—2021《火電廠煙氣二氧化碳排放連續監測技術規范》,為碳排放連續監測的實施提供了操作層面的技術支撐。同時,中國環境保護產業協會、中國標準化協會等相關行業協會也相繼發布了T/CAEPI 48—2022《固定污染源二氧化碳排放連續監測技術規范》、T/HBJN 0002.1—2022《固定污染源煙氣中二氧化碳的監測指南 第1部分：鋼鐵生產企業》、T/CAS 454—2020《火力發電企業二氧化碳排放在線監測技術要求》及T/LCAA 02—2020《水泥行業溫室氣體排放監測技術規范》等通用技術標準和行業團體標準。

相較于歐美等發達國家已經明確要求應用煙氣排放連續監測系統監測二氧化碳排放量,我國碳監測體系起步較晚,目前,碳排放連續監測仍然處于試點階段。同時,碳排放連續監測相關技術規范及操作細則等有待完善,使得連續監測難以落地實施。目前,全國碳市場還沒有應用CO2-CEMS測定的碳排放數據,僅有少數工業企業試點了連續監測法。

3.2 存在的主要問題

3.2.1二氧化碳連續監測尚未規模化應用

根據國家環保監管要求,目前我國很多火電、水泥企業安裝了煙氣排放連續監測系統,主要用于SO2、NOx等污染物的連續監測。理論上,這些企業具備同時測量二氧化碳排放量的條件。但由于國家尚未強制要求企業增加二氧化碳連續監測模塊,因此僅有少量火電企業具備直接監測二氧化碳排放量的能力。

3.2.2數據質量不滿足應用要求

目前,國內大多數企業的常規污染物連續監測系統存在不同程度的數據缺失、不完整和失真等問題[14],數據質量不足以支撐其在碳監測中的應用。同時,國內連續監測校準技術落后,以人工校準、測量為主的校準方式在一定程度上也影響了監測數據質量。

3.2.3專業人才缺乏

目前,國內大多數企業缺少熟悉自動監測設備維護和校準技術的專業人員,需要委托第三方服務機構提供技術支持。由于各個企業安裝設備型號、技術原理等千差萬別,如遇到突發故障,第三方機構無法保證及時、有效地解決所有問題,最終還是要聯系生產廠家。這就導致維修周期變長、監測數據連續性變差,影響碳監測的實施效果[15]。

4 加強我國工業企業碳監測管理的建議

隨著我國統一碳市場的建立和完善,越來越多的工業企業將被納入碳市場,企業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監測技術的推廣,不僅有利于企業提高以碳排放數據為基礎的碳資產管理水平,還有利于提高減排數據的公信力,促進碳交易產品的互認等。因此,我國亟待加強工業企業二氧化碳連續監測工作。為此提出如下建議。

4.1 加大工業企業二氧化碳連續監測設備配套

對于已經安裝煙氣排放連續監測系統的工業企業,建議利用現有的技術條件,增設二氧化碳監測模塊,如利用原有連續監測系統的取樣探頭、煙氣預處理系統、反吹掃、校準維護等設備,降低改造范圍和減少軟硬件設備投資;對于排放量大的固定源排放企業,可酌情配置一套CO2-CEMS,以實現企業碳排放測量精度的提升。同時,考慮到連續監測對煙氣流量測量精度要求較高,條件具備時可對現有煙氣流速測量設備進行升級。

4.2 提升碳排放連續監測數據質量

對火電行業而言,在原有煙氣排放連續監測系統建立的數據報送、傳輸和審核等質量控制體系基礎上,建議嚴格按照現有火電廠連續監測技術規范的要求,制定碳監測計劃,包括對煙氣流速和二氧化碳濃度測量制定不同的不確定度要求,執行監測數據缺失處理、報告模板,以及質量控制和質量保證措施等要求。對鋼鐵、水泥等高耗能行業,建議密切跟蹤全國碳市場建設進展,排放大戶可嘗試參照火電行業二氧化碳連續監測的要求開展相關監測工作,加強碳排放數據的精細化管理。

在連續監測設備定期校準方面,建議相關企業要逐步實現從人工校準到自動校準的過渡,探索連續校準電子系統的應用等。

4.3 加強碳排放連續監測人才培養

針對連續監測運行維護方面存在的人員不足、專業能力不夠等問題,建議企業加強專業人員培養,建設連續監測人才隊伍,設置專職崗位。除了完成監測系統日常巡檢以外,專職人員也要承擔定期測試、校準和修理等工作,對于連續監測中出現的問題能夠作出規范和高效的響應。

5 結束語

目前,全國碳市場已進入第二個履約周期,碳監測評估試點工作也將進一步深化,二氧化碳排放連續監測對于確保碳排放數據質量、保證未來全國碳市場的安全穩定運行及實現國家“雙碳”目標愈發重要。本文通過分析美國和歐盟碳排放連續監測的應用情況,對比分析了我國碳排放連續監測的發展現狀和存在的主要問題,提出了加大工業企業二氧化碳連續監測設備配套、提升碳排放連續監測數據質量和加強碳排放連續監測人才培養方面的建議。