在线监测法在水泥行业碳排放量计量中的应用研究

牛书宁，付文杰，潘本锋

（1.宁夏回族自治区工业和信息化融合促进中心，宁夏银川 750001；2.河北先进环保产业创新中心有限公司，河北石家庄 050035）

2021 年国家先后出台了多项政策文件，要求：“到2025 年，单位国内生产总值CO2排放量比2020 年下降18%；到2030 年，单位国内生产总值CO2排放量比2005 年下降65%以上，CO2排放量达到峰值并实现稳中有降。”2020 年水泥行业碳排放总量约13.75×108t，占全国碳排放总量的13.5%左右[1]，因此，准确量化水泥行业碳排放量对于准确统计我国碳排放总量有着举足轻重的作用。

目前，广泛使用的温室气体量化方法主要有两种，即基于核算的方法和基于连续监测的方法。基于核算的方法是指通过活动数据乘以排放因子或通过计算生产过程中的碳质量平衡来量化温室气体排放量，国家发改委先后发布了24 个行业企业温室气体排放核算方法与报告指南[2-4]。基于连续监测的方法是通过烟气连续在线监测系统（CEMS）直接测量烟气流速和烟气中CO2浓度等参数来计算温室气体的排放量[5-6]。欧盟委员会2005 年启动欧盟碳排放交易系统，正式监测CO2排放量，约有140 台发电机组利用CEMS 开展的实测法监测碳排放。美国环保署在2009 年的《温室气体排放报告强制条例》中规定，所有年排放超过2.5×104t CO2当量的排放源自2011 年开始必须全部安装CEMS并在线上报美国环保署[7]。2020 年6 月，生态环境部提出遵循“核算为主、监测为辅”的原则，探索建立重点排放单位温室气体排放源监测的管理体系和技术体系，在火电行业率先开展CO2排放量在线监测试点[8]。生态环境部于2021 年9 月组织了碳排放监测试点工作，在火电、钢铁、石油天然气开采、煤炭开采和废弃物处理五类重点行业开展碳排放监测试点工作，评估使用直接监测法作为辅助手段，支撑企业层面温室气体排放量计算的科学性和可行性。考虑到水泥行业碳排放总量准确核算的重要性，有必要针对水泥行业碳排放量计量的不同方法进行研究，为我国准确核定水泥行业碳排放总量提供技术依据，支撑我国碳达峰碳中和目标实现。

1 水泥企业碳排放量化方法介绍

1.1 核算法

根据国家发改委发布的《中国水泥生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》[9]，水泥企业CO2排放总量包括企业边界内所有化石燃料燃烧排放量、工业生产过程排放量及净购入电力和热力对应的排放量。

（1）化石燃料燃烧排放量计算：

式中：E燃烧1-化石燃料燃烧产生的CO2排放量ADi-第i 种化石燃料的活动水平，GJ；EFi-第i 种化石燃料的CO2排放因子

（2）替代燃料或废弃物中非生物质碳的燃烧排放量计算：

式中：E燃烧2-替代燃料或废弃物燃烧产生的CO2排放量-替代燃料或废弃物的用量，t；HVi-替代燃料或废弃物的加权平均低位发热量，GJ/t；EFi-替代燃料或废弃物燃烧的CO2排放因子-替代燃料或废弃物中非生物质碳的含量，%；i-替代燃料或废弃物的种类。

（3）原料分解产生的排放量计算：

式中：E工艺1-原料碳酸盐分解产生的CO2排放量，-水泥熟料的产量，t；Qckd-窑炉排气筒（窑头）粉尘的质量，t；Qbpd-窑炉旁路放风粉尘的质量，t；FR1-熟料中CaO 的含量，%；FR10-熟料中不是来源于碳酸盐分解的CaO 的含量，%；FR2-熟料中MgO 的含量，%；FR20-熟料中不是来源于碳酸盐分解的MgO 的含量，%；-CO2与CaO 之间的相对分子质量换算；-CO2与MgO 之间的相对分子质量换算。

（4）生料中非燃料碳煅烧的排放量计算：

式中：E工艺2-生料中非燃料碳煅烧产生的CO2排放量，tCO2；Q-生料的数量，t；FR0-生料中非燃料碳含量，%；-CO2与碳的数量换算。

（5）净购入使用的电力和热力对应的排放量计算：

式中：E电和热-净购入使用的电力、热力所对应的生产活动的CO2排放量，；AD电力-净购入的电量，MW·h；AD热力-净购入的热力量，GJ；EF电力-电力的CO2排放因子，/MW·h；EF热力-热力的CO2排放因子/GJ。

1.2 在线监测法

由于水泥生产主要直接CO2排放来源于窑炉，即有固定的排放源，因而可以通过监测确定CO2排放量。对窑炉尾部烟筒中烟气流速、CO2浓度、温度、压力和湿度等参数进行监测，可以计算直接CO2排放量瞬时值，通过数据累计计算及数据处理，统计一段时间内窑炉的直接CO2排放量。

（1）烟气CO2浓度转换计算：

式中：CQ-标准状态下CO2质量浓度，kg/m3；CVCO2-CEMS 测得的CO2体积浓度，%；44-CO2摩尔质量，g/mol；22.4-标准状态下气体摩尔体积，L/mol。

式中：C干-CO2干基质量浓度或体积浓度，kg/m3或%；C湿-CO2湿基质量浓度或体积浓度，kg/m3或%；XSW-烟气绝对湿度（又称水分含量），%。

（2）CO2体积浓度计算：

（3）CO2排放流量计算：

式中：QSh-实际工况下小时湿烟气流量CO2-CEMS 测量的烟气流速的小时均值，m/s；F-CO2-CEMS 安装点位烟囱或烟道断面的面积，m2。

式中：QSnh-标准状态下小时干烟气体积流量，m3/h；tsh-CO2-CEMS 测量的烟气温度的小时均值，℃；Ba-CO2-CEMS 安装地点的环境大气压，Pa；PSh-CO2-CEMS 测量的烟气静压的小时均值，Pa；XSWh-CO2-CEMS 测量的烟气湿度的小时均值，%。

（4）CO2排放量计算：

式中：Gh-CO2-CEMS 第h 小时监测CO2排放量，t/h；44-CO2摩尔质量，g/mol；22.4-标准状态下气体摩尔体积，L/mol。

式中：Gd-CO2-CEMS 第d 天监测CO2排放量，t/h。

2 水泥企业碳排放量化对比试验

2.1 水泥企业碳排放量在线监测系统建设

宁夏某水泥厂主要经营水泥、水泥熟料、机制骨料及混凝土的制造与销售，拥有一条5 000 t/d 新型二代干法水泥熟料智能化生产线及余热发电，年可产熟料150×104t，水泥100×104t。2022 年7 月企业在总排放口安装了一套温室气体连续在线监测系统，用于监测窑炉的直接CO2排放量。在线监测系统包括主机单元、机柜单元、采样单元、数据柜单元、温湿压流单元、校准单元和数据采集单元等。采样点位于距离地面约30 m 的四楼平台，采用直接抽取采样技术，采样探头和管路高温伴热，经预处理系统除尘、除水后，送入CO2分析仪中进行检测。CO2分析仪采用XHCO2100 型红外分析仪，详细参数见表1。

表1 XHCO2100 型红外分析仪主要技术参数

2.2 在线监测法与核算法量化结果比对分析

在线监测系统经过调试、校准，现场稳定运行后进入监测对比阶段。选取2022 年8 月20 日至10 月6 日作为监测分析时段，通过窑炉启停记录，9 月5 日8时～9 月15 日4 时、9 月28 日11 时～22 时窑炉停窑，其余时间窑炉正常运行生产。由于在线监测法是监测窑尾烟囱的直接CO2排放量，为保持对比口径的一致性，核算法仅考虑化石燃料燃烧和工业生产过程产生的排放量，不考虑净购入电力和热力对应的间接排放量，在线监测法计量碳排放量与核算法核算碳排放量对比分析结果见表2。

由表2 可知，整体上看在线监测法计量结果较核算法核算结果偏高9.44%。经分析，造成误差的原因主要有以下两个方面：一方面是核算法中燃煤单位热值含碳量和碳氧化率等参数采用缺省值数据与实际情况存在一定误差；另一方面是在线监测法中烟气流速、烟气浓度、烟气温度、烟气湿度和烟气压力等监测参数均存在一定的不确定性，有研究表明烟气流速的不确定度较高[10]，烟气流速的典型误差在10%～20%[11]。

表2 在线监测法和核算法碳排放量对比分析

2.3 在线监测法与核算法优劣比较

针对水泥企业碳排放量的两种计量方法，分别从方法适用性、准确度、时效性、经济性等方面进行分析，具体情况见表3。

表3 在线监测法和核算法优劣对比分析

3 结论与建议

针对我国水泥行业碳排放量计量方法单一问题，本文对在线监测法在水泥行业碳排放量计量中的应用进行了研究，搭建了一套烟气连续在线监测系统，可以准确测量烟气中CO2浓度，实现了水泥企业碳排放量的实时在线监测；通过在线监测法与核算法碳排放量化结果对比，发现在线监测法计量结果与核算法核算结果之间存在一定误差，误差原因有待于进一步分析。两种方法各有优劣，核算法成本较低，方法成熟，可操作性较强；在线监测法数据获取的时效性较强，可以实现自动化，便于管理部门质量控制和日常监督管理。为做好在线监测法在水泥行业碳排放量计量中的应用研究工作，提出如下建议：

（1）在线监测法技术上是可行的，应持续开展对比研究，下一步深入研究在线监测法碳排放量不确定性主要来源以及降低不确定性的方法，为水泥行业碳排放总量核算由核算法向在线监测法过渡提供了数据支撑。

（2）建立温室气体在线监测相应的技术体系，包括监测参数技术性能、监测站房、监测点位布置、系统安装、技术指标调试检测、技术验收、运行管理、质量保障、数据审核及处理、数据记录和报告要求等。

（3）借鉴污染源在线监测管理的经验，构建温室气体监测工作的数据监测、报告、检查、数据有效性审核的业务工作体系，以满足碳排放量计量MRV 要求。

（4）积极推广在线监测法在宁夏地区水泥企业中的应用，利用实时监测碳排放量数据指导水泥企业及时、科学地实施节能降碳措施，推动宁夏水泥行业尽早实现碳达峰。