CO2等溫室氣體大量排放造成的全球氣候變化是21世紀以來人類面臨的最嚴峻挑戰之一，世界各國對控制和減少碳排放已達成一致的共識。為了積極應對全球氣候變化，實現經濟發展與溫室氣體減排雙贏的目標，以碳排放權為主導的碳交易市場已成為溫室氣體減排和低碳創新發展的重要經濟手段。目前，國際認可的燃煤排放CO2量化方法可分為碳平衡法、排放因子法和直接監測法。其中，碳平衡法的計量需要較完善的基礎生產計錄，而目前我國企業的統計基礎尚較難完全滿足要求。排放因子法由於計算簡單、權威性高且應用廣泛，而被我國相關的溫室氣體清單編制指南、溫室氣體排放核算方法與報告指南採用，但存在準確度不高、數據收集方法效率較低、時效性嚴重滯後等問題。直接監測法因計量簡便、數據收集高效以及人為幹擾少等優點受到青睞。
碳排放在線監測的可靠性和準確性是決定其在溫室氣體排放源監測能力建設中所處地位的關鍵所在。國外溫室氣體排放源監測能力較強，碳排放監測體系也較為完善，但國內碳排放在線監測技術研究和實際工程應用較少。雖然少部分學者對比了在線監測方法和其他方法的碳排放計量結果，但由於案例較少、試驗時間較短、對比結果不一致，尚難以給出客觀評價。
為了發展一種可靠準確的發電企業碳排放在線監測技術和系統，本文通過分析總結髮電廠碳排放計量方法，以現場應用的準確性和穩定性為目標，研發了火力發電企業CO2排放在線監測系統，並在某熱電聯產企業進行應用示範，期望為加強企業碳排放數據監測、管理和低碳生產水平評估，以及為全國碳排放權交易提供有力的數據支撐和技術支持。
0 1系統設計與研發
本系統採用煙氣取樣、預處理、再測量方式，主要由煙氣取樣模塊、預處理模塊、濃度檢測模塊、數據採集與運行控制模塊、數據處理與統計模塊、資料庫、上位機等部分組成。
圖1 系統組成示意
圖2 系統現場安裝示意
0 2系統應用
本系統已在廣東某320 MW熱電聯產企業2號機組安裝並正常運行。2018年度該企業每小時碳排放量在100～250 t。
圖3 碳排放速率
在查詢時間內該企業2號機組每分鐘碳排放量為2.5 t左右；每小時碳排放量在170～250 t；每天碳排放量3 500～5 400 t；每月碳排放量11萬～16萬t；第2、3、4季度排放量分別為34.30萬t、32.41萬t和26.42萬t，總排放量為93.13萬t。由於該企業是熱電聯產企業，鍋爐產生的蒸汽對汽輪發電機做功，而做過功的蒸汽用來對外供熱，故鍋爐的熱負荷包含供電和供熱2部分。在尾部煙道處監測的碳排放包含發電排放和供熱排放2部分，而企業分布式控制系統(distributed control system，DCS)中僅對發電負荷進行在線監測。因此，本系統未對單位發電碳排放進行在線計算和統計。
圖4 小時、天、月和季度的碳排放統計
選定燃煤排放因子為95.7 g/MJ，基於排放因子法，核算該企業2018年的碳排放量。直接監測碳排放結果和核算碳排放結果變化趨勢大致相同，但每天直接監測碳排放比核算碳排放少5%～30%，即每天少500～1 500 t。二者相差的主要原因有：① 該企業鍋爐運行生產採用煤種摻燒技術(印尼煤和神華煤)，其中印尼煤屬於褐煤，神華煤屬於煙煤。核算碳排放時，選擇煙煤對應的排放因子95.7 g/MJ，而事實上褐煤對應排放因子為102.67 g/MJ，比選用的排放因子值高7.28%。因此，不同摻燒比例對碳排放量有較大影響。② 排放因子數據來源於《IPCC國家溫室氣體清單指南》或《省級溫室氣體清單編制指南》的預設值，並不是實際生產運行所用煤種的實測值。研究表明：採用不同官方發布的活動數據和排放因子，核算的碳排放數據差異可達40%。可見排放因子本身就存在一定的不確定性。③ 核算法採用碳氧化率取自指南中的預設值98%，但實際運行中，鍋爐運行狀態不斷變化，其效率也變化。因此，碳氧化率難以保持在98%，尤其鍋爐效率較低時，碳氧化率可能低於98%，造成實際碳排放量小於核算的碳排放量。
圖5 直接監測法和核算法每天的碳排放結果
直接監測碳排放與鍋爐產出能量的變化趨勢基本一致。對直接監測碳排放和鍋爐產出能量進行線性擬合，可知擬合的R2=0.64，顯示直接監測碳排放與鍋爐產出能量之間存在正相關關係。本系統在尾部煙道獲得的直接監測碳排放結果是鍋爐燃燒產生的CO2排放和脫硫過程的CO2排放的總和。但其與鍋爐產出能量的線性擬合R2值仍能達到0.64。表明該直接監測碳排放結果能直接反映鍋爐產出能量的變化情況，為企業結合鍋爐運行參數進行低碳生產運行調整提供指導。
圖6 直接監測碳排放與鍋爐產出能量(發電+供熱)之間的關係
圖7 直接監測碳排放與鍋爐產出能量的線性擬合
對計算得到的單位產品碳排放和鍋爐效率進行線性擬合，可知單位產品碳排放與鍋爐效率之間存在負相關關係，其線性擬合R2=0.65。單位產品碳排放的變化能在一定程度反映鍋爐效率變化情況，即單位產品監測碳排放低，則鍋爐效率較高。企業運行人員可根據單位產品碳排放數據反饋，調節鍋爐運行參數，而調整後鍋爐的環保高效運行狀態可由單位產品碳排放來評估。
圖8 單位產品碳排放與鍋爐效率的線性擬合
綜上，每天直接監測碳排放比核算碳排放少5%～30%，即每天少500～1 500 t。同時，直接監測碳排放和鍋爐產出能量之間存在正相關關係，兩者的變化趨勢基本一致，其能反映鍋爐的運行狀態變化。此外，每天的單位產品碳排放與鍋爐效率存在負相關關係，能在一定程度上反映鍋爐效率的變化情況。但由於運行工況複雜變化，以天為單位產品碳排結果的時效性難以保證，無法準確、及時反映與鍋爐效率的變化情況。需結合其他因素，進一步分析小時或分鐘的單位產品碳排放與鍋爐效率之間的變化關係。由此，運行人員可利用直接監測碳排放數據，結合上述關係，有效指導優化鍋爐燃燒運行參數，在保證鍋爐效率的同時，有效降低碳排放，從而實現鍋爐低碳、環保的高效運行。
03
結論
1）直接監測碳排放與核算碳排放的結果對比顯示，兩者計量的碳排放變化趨勢大致相同，但每天直接監測碳排放比核算碳排放少5%～30%，即每天少500～1 500 t。造成這一現象可能的原因有不同煤種、不同比例的摻燒影響、排放因子存在的不確定性影響，碳氧化率在鍋爐運行過程中不斷變化的影響。
2）直接監測碳排放和鍋爐產出能量分析結果顯示，直接監測碳排放與鍋爐產出能量的變化趨勢基本一致，其線性擬合R2=0.64，二者存在正相關關係。
3）單位產品碳排放和鍋爐效率分析結果顯示，單位產品碳排放與鍋爐效率之間存在負相關關係，其線性擬合R2=0.65。單位產品碳排放的變化能在一定程度反映鍋爐效率變化情況。
4）基於該系統直接監測碳排放數據，可有效指導優化鍋爐燃燒運行參數，保證鍋爐效率的同時，有效降低碳排放，實現鍋爐低碳、環保和高效運行。此外，該系統的應用能提高企業碳排放數據管理和低碳生產評估水平，還能將碳排放數據通過遠程通訊實時、高效的傳輸至碳交易中心或第三方機構，為政府推進溫室氣體減排、開展全國碳排放權交易的進行提供有力據支撐。
引文格式
李崢輝，盧偉業，龐曉坤，等.火電企業CO2排放在線監測系統的研發應用[J].潔淨煤技術，2020,26(4):182-189.
LI Zhenghui,LU Weiye,PANG Xiaokun,et al.Research and application of on-line monitoring system for CO2emissions from thermal power enterprises[J].Clean Coal Technology，2020,26(4):182-189.
◆中國礦業大學（北京）馬力強教授：螺旋分選機研究進展
◆東南大學段倫博教授：燃煤sCO2布雷頓循環及其工質傳熱特性研究進展◆上海理工大學張守玉教授：抗結渣生物質燃料研究進展◆西安交通大學楊冬教授：超超臨界鍋爐流動不穩定性的形成機理及研究進展◆中科院工程熱物理研究所朱建國副研究員：分解爐空氣分級燃燒及NOx排放特性研究◆華中科技大學傅培舫教授：煤粉高壓著火特性及影響因素◆清華大學楊海瑞教授：300 MW循環流化床鍋爐大比例摻燒煤泥試驗研究
◆華中科技大學鄒春教授：煤粉富氧燃燒著火溫度預測的優化隨機森林(GA-RF)模型◆中國礦業大學(北京)解強教授：高鹼低階煤熱解及熱解半焦研究進展◆中科院過程所聶毅研究員：中間相炭微球在鋰離子電池負極材料的應用進展
◆太原理工大學張永發教授：煤基碳納米管制備技術和生長機理研究進展◆中科院山西煤化所白進研究員：煤灰流動性研究方法進展◆哈爾濱工業大學孫飛副教授：碳材料對燃煤煙氣硫脫除及資源化研究進展
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