国内固定排放源二氧化碳排放连续监测应用现状和问题初探

郁 丹 唐 人 王艾荣

(1.浙江华云电力工程设计咨询有限公司,杭州;2.国瑞沃德(北京)低碳经济技术中心,北京)

0 引言

目前,我国温室气体排放核算与报告工作多依赖于排放因子法,即便是纳入全国碳排放权交易市场(以下简称全国碳市场)的重点排放单位,其碳排放量也基本采用此方法计算,鲜有基于连续监测法的实测数据。随着我国“双碳”战略的推进和全国碳市场的构建,在政策和市场的双重作用下,我国亟待建立更加科学、高效、可持续的碳监测机制。相关研究表明,通过连续监测得出的数据稳定、准确度高[1]。根据我国生态环境监测的“十四五”发展目标,国家逐步将温室气体监测纳入常规监测体系,连续监测将是温室气体排放量辅助核算体系的重要支撑及碳排放监管的重要方式之一。基于碳监测技术研究的重要意义,本文将总结国内外连续监测技术的应用现状,分析国内二氧化碳排放连续监测面临的主要问题,结合我国相关政策要求,提出促进国内企业应用和管理连续监测技术的相关建议。

1 碳监测概述

1.1 碳监测的定义和分类

碳监测是指通过综合观测、数值模拟、统计分析等手段,获取温室气体排放强度、环境中浓度、生态系统碳汇,以及影响生态系统的碳源汇状况及其变化趋势信息的过程[2]。从碳源和碳汇的角度来划分,碳监测分为排放源监测、环境浓度监测和生态系统碳汇监测。由于监测目标不同,3类碳监测所需的碳监测方法不同,排放源监测一般采用排放因子法或连续监测法,环境浓度监测采用卫星观测,生态系统碳汇监测采用卫星遥感等碳监测方法。碳监测分类及相应的碳监测方法如图1所示。

图1 碳监测分类及相应的碳监测方法

排放源监测是碳监测的重点。排放源监测是对能源活动、工业过程等典型源的温室气体排放进行监测。排放源包括固定源、移动源和逸散源等不同类别。固定源是二氧化碳排放的主要来源,其碳监测方法包括排放因子法和连续监测法,传统上以排放因子法为主。连续监测法能够实现碳排放数据的实时上传和自动生成,具有原始数据分析量少、精确度高、人为影响因素少等优点[3],是固定源碳监测的主要发展方向。

1.2 CO2-CEMS的组成及技术原理

二氧化碳排放连续监测系统(CO2-continuous emission monitoring system,简称CO2-CEMS)是一套能够实时、连续监测固定源烟气中二氧化碳浓度和排放量的自动化设备,是通过连续监测法测定固定源碳排放最为成熟的应用形式。它主要适用于固定源排放口数量单一的行业[4],如火电、钢铁和水泥等行业。

1.2.1CO2-CEMS的组成

CO2-CEMS由二氧化碳浓度监测,烟气参数监测,大气压力监测,数据采集、处理与传输四大子系统组成,其主要设备包括样品采集和传输装置、预处理设备、分析仪器、数据采集和传输设备及其他辅助设备等。CO2-CEMS的组成如图2所示。

图2 CO2-CEMS的组成

1.2.2CO2-CEMS的技术原理

CO2-CEMS的技术原理是将监测到的二氧化碳体积浓度、烟气温度、烟气静压、湿烟气平均流速、烟气湿度和大气压力的数值传输至数据采集与控制子系统;然后经过该子系统后台的数据处理,计算出每小时烟气二氧化碳排放质量流率;最后累加得出每天、每月和每年的二氧化碳排放量[5]。CO2-CEMS的技术原理如图3所示。

图3 CO2-CEMS的技术原理

在CO2-CEMS各项监测指标中,二氧化碳体积浓度是最核心的指标之一。二氧化碳体积浓度的分析主要采用现代光学测量技术,根据分子吸收光谱的原理,利用光强被气体吸收的程度来反演出待测气体的浓度,包括非分散红外及傅里叶变换红外光谱检测技术等[6]。

2 国外碳排放连续监测技术发展现状

CO2-CEMS在美国、欧盟等国家和地区得到了较好的重视,开展了一定的实践和应用。

2.1 美国

美国是全球第二大碳排放国,近年来,美国应对气候变化的政策出现了积极变化。在政府公开的气候主张中,确定了电力行业碳中和的先行目标。为了有效控制温室气体排放,美国采取了一系列措施对电力行业的温室气体排放进行监测与限制,为连续监测提供了坚实的技术支撑和制度依据。美国碳监测相关政策要求见表1。

表1 美国碳监测相关政策要求

连续监测系统在美国已有50多年的发展历史[9]。目前,美国25 MW以上的火电厂均已安装了CO2-CEMS,电力行业碳交易市场采用的数据以连续测量数据为主。美国碳排放连续监测数据的质量保障主要通过3种途径实现：一是要求监测设备与指定机构在法律责任上绑定;二是建立数字质量保障系统,对比历史数据、相似设备数据,进行数据检验[10];三是建立碳排放年度报告核查制度,电厂需要自行认证并提交碳排放年度报告,碳排放报告系统对年度报告进行自动检查,并向电厂提供反馈核查结果,反馈无错误的完成核查工作,对于存在潜在错误的电厂或设备,美国环保署将进行现场审核。2015年,美国执行《联邦法律汇编第40卷第75部分——烟气排放连续排放监测手册》进行碳监测统计的火电厂的碳排放量占总排放量的95%以上,其中,火电机组安装CO2-CEMS进行二氧化碳排放监测的比例为73.9%[11],安装CO2-CEMS进行二氧化碳排放监测已经是美国较为普及的手段。

2.2 欧盟

欧盟委员会自2005年启动欧盟碳排放交易系统,正式要求在欧盟成员国监测二氧化碳排放量,并陆续出台了一系列政策文件,逐渐确认了二氧化碳连续监测的地位。随着监测技术的不断进步,欧盟委员会及时调整、充实、完善条例和法规。欧盟碳监测相关政策要求见表2。

表2 欧盟碳监测相关政策要求

在CO2-CEMS应用方面,欧盟通过一系列指令,明确了CO2-CEMS在二氧化碳排放监测技术中的地位。同时,欧盟为保证CO2-CEMS系统建设和运营维护的中立性和客观性,规定第三方核查机构应独立于运营商;同时,要建立起一套申请、建设、实施和维护的标准流程,定期检测核查人员的绩效情况,以确保核查人员的能力实现稳步提升。但在实践中,欧盟使用连续监测方法的案例较少。2019年,只有155个设施(占总设施数的1.5%)采用了连续监测方法。欧盟内部连续监测的方法未被广泛采用的原因是其需要配套相关的监测设施,同时烟气中相关温室气体的浓度测量等工作需要专业人员的操作才能完成[13]。

3 我国二氧化碳排放连续监测的现状与问题

我国碳排放连续监测仍处于试点阶段,相关技术规范及操作细则不完善,应用较少。

3.1 发展现状

在政策方面：为了有效推动碳监测的发展,2019—2021年,生态环境部印发了《生态环境监测规划纲要(2020—2035年)》《碳监测评估试点工作方案》(环办监测〔2021〕435号)和《“十四五”生态环境监测规划》(环监测〔2021〕117号),分别提出了“在不大规模增加资金投入的前提下,将温室气体监测纳入常规监测体系统筹设计”“选择火电、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温室气体监测试点”“系统谋划覆盖点源、城市、区域等不同尺度的碳监测评估业务”等要求。

在相关核算标准或指南中对连续监测的规定方面：2016—2019年,国家发展改革委发布了GB/T 32150—2015《工业企业温室气体排放核算和报告通则》及12个行业的碳排放核算国家标准,提出采用实测法,即通过安装CO2-CEMS相关仪器设备测量温室气体排放量。2021年3月,生态环境部印发了《企业温室气体排放报告核查指南(试行)》,要求开展企业碳排放核查,并在数据质量控制计划中明确了对监测活动的要求。北京、上海等试点碳市场也提出企业可采用实时监测法测量二氧化碳排放量。

在碳排放连续监测专项技术标准方面：2021年12月,国家能源局发布了国内首个二氧化碳排放连续监测行业技术标准——DL/T 2376—2021《火电厂烟气二氧化碳排放连续监测技术规范》,为碳排放连续监测的实施提供了操作层面的技术支撑。同时,中国环境保护产业协会、中国标准化协会等相关行业协会也相继发布了T/CAEPI 48—2022《固定污染源二氧化碳排放连续监测技术规范》、T/HBJN 0002.1—2022《固定污染源烟气中二氧化碳的监测指南 第1部分：钢铁生产企业》、T/CAS 454—2020《火力发电企业二氧化碳排放在线监测技术要求》及T/LCAA 02—2020《水泥行业温室气体排放监测技术规范》等通用技术标准和行业团体标准。

相较于欧美等发达国家已经明确要求应用烟气排放连续监测系统监测二氧化碳排放量,我国碳监测体系起步较晚,目前,碳排放连续监测仍然处于试点阶段。同时,碳排放连续监测相关技术规范及操作细则等有待完善,使得连续监测难以落地实施。目前,全国碳市场还没有应用CO2-CEMS测定的碳排放数据,仅有少数工业企业试点了连续监测法。

3.2 存在的主要问题

3.2.1二氧化碳连续监测尚未规模化应用

根据国家环保监管要求,目前我国很多火电、水泥企业安装了烟气排放连续监测系统,主要用于SO2、NOx等污染物的连续监测。理论上,这些企业具备同时测量二氧化碳排放量的条件。但由于国家尚未强制要求企业增加二氧化碳连续监测模块,因此仅有少量火电企业具备直接监测二氧化碳排放量的能力。

3.2.2数据质量不满足应用要求

目前,国内大多数企业的常规污染物连续监测系统存在不同程度的数据缺失、不完整和失真等问题[14],数据质量不足以支撑其在碳监测中的应用。同时,国内连续监测校准技术落后,以人工校准、测量为主的校准方式在一定程度上也影响了监测数据质量。

3.2.3专业人才缺乏

目前,国内大多数企业缺少熟悉自动监测设备维护和校准技术的专业人员,需要委托第三方服务机构提供技术支持。由于各个企业安装设备型号、技术原理等千差万别,如遇到突发故障,第三方机构无法保证及时、有效地解决所有问题,最终还是要联系生产厂家。这就导致维修周期变长、监测数据连续性变差,影响碳监测的实施效果[15]。

4 加强我国工业企业碳监测管理的建议

随着我国统一碳市场的建立和完善,越来越多的工业企业将被纳入碳市场,企业碳排放管理的要求也越来越高。以CO2-CEMS为代表的二氧化碳连续监测技术的推广,不仅有利于企业提高以碳排放数据为基础的碳资产管理水平,还有利于提高减排数据的公信力,促进碳交易产品的互认等。因此,我国亟待加强工业企业二氧化碳连续监测工作。为此提出如下建议。

4.1 加大工业企业二氧化碳连续监测设备配套

对于已经安装烟气排放连续监测系统的工业企业,建议利用现有的技术条件,增设二氧化碳监测模块,如利用原有连续监测系统的取样探头、烟气预处理系统、反吹扫、校准维护等设备,降低改造范围和减少软硬件设备投资;对于排放量大的固定源排放企业,可酌情配置一套CO2-CEMS,以实现企业碳排放测量精度的提升。同时,考虑到连续监测对烟气流量测量精度要求较高,条件具备时可对现有烟气流速测量设备进行升级。

4.2 提升碳排放连续监测数据质量

对火电行业而言,在原有烟气排放连续监测系统建立的数据报送、传输和审核等质量控制体系基础上,建议严格按照现有火电厂连续监测技术规范的要求,制定碳监测计划,包括对烟气流速和二氧化碳浓度测量制定不同的不确定度要求,执行监测数据缺失处理、报告模板,以及质量控制和质量保证措施等要求。对钢铁、水泥等高耗能行业,建议密切跟踪全国碳市场建设进展,排放大户可尝试参照火电行业二氧化碳连续监测的要求开展相关监测工作,加强碳排放数据的精细化管理。

在连续监测设备定期校准方面,建议相关企业要逐步实现从人工校准到自动校准的过渡,探索连续校准电子系统的应用等。

4.3 加强碳排放连续监测人才培养

针对连续监测运行维护方面存在的人员不足、专业能力不够等问题,建议企业加强专业人员培养,建设连续监测人才队伍,设置专职岗位。除了完成监测系统日常巡检以外,专职人员也要承担定期测试、校准和修理等工作,对于连续监测中出现的问题能够作出规范和高效的响应。

5 结束语

目前,全国碳市场已进入第二个履约周期,碳监测评估试点工作也将进一步深化,二氧化碳排放连续监测对于确保碳排放数据质量、保证未来全国碳市场的安全稳定运行及实现国家“双碳”目标愈发重要。本文通过分析美国和欧盟碳排放连续监测的应用情况,对比分析了我国碳排放连续监测的发展现状和存在的主要问题,提出了加大工业企业二氧化碳连续监测设备配套、提升碳排放连续监测数据质量和加强碳排放连续监测人才培养方面的建议。