雙碳目標(biāo)下燃煤電廠碳計量方法研究進展

王萍萍，趙永椿，張軍營，熊 卓

(華中科技大學(xué) 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著3060雙碳目標(biāo)的提出，我國大力推動綠色低碳發(fā)展，但實現(xiàn)2030年碳達峰、2060年碳中和仍充滿挑戰(zhàn)。2020年我國碳排放總量為10.38 Gt，電力碳排放為3.67 Gt，占比超過總量的1/3，預(yù)測未來將達4.5～50.0 Gt[1-3]，由于新能源的發(fā)展，燃煤電廠占比有所下降，但2019年燃煤電廠發(fā)電仍占總發(fā)電量的62%[4-5]。因此準(zhǔn)確量化燃煤電廠CO2排放量是我國電力行業(yè)實現(xiàn)碳達峰的基石。2021年全國碳排放權(quán)交易市場(簡稱碳市場)正式啟動上線交易，電力行業(yè)被首個納入碳市場，被納入的重點排放單位超2 000家[6]，電力行業(yè)在碳市場的地位舉足輕重，積極推動電力行業(yè)率先碳達峰，可為其他領(lǐng)域的碳達峰預(yù)留足夠的時間和空間，最終確保我國全領(lǐng)域如期實現(xiàn)碳達峰[7]。

碳排放統(tǒng)計核算是科學(xué)制定國家政策、評估考核工作進展、參與國際談判履約等數(shù)據(jù)依據(jù)，《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和《2030年前碳達峰行動方案》中明確提出統(tǒng)一規(guī)范的碳排放統(tǒng)計核算體系是雙碳目標(biāo)達成的關(guān)鍵一環(huán)[8]。目前我國規(guī)范統(tǒng)一的碳計量技術(shù)與歐美等國家先進水平仍存在較大差距，通過研究歐美等國家的溫室氣體管理機制可對我國電力行業(yè)碳排放統(tǒng)計核算提供思路[9]。傳統(tǒng)碳核算方法由于排放因子的選取存在較大誤差，統(tǒng)計的核算數(shù)據(jù)質(zhì)量有待加強，多數(shù)燃煤電廠未安裝CO2在線監(jiān)測設(shè)備，缺少在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，碳核算體系不完善。保證碳排放數(shù)據(jù)質(zhì)量，制定完整的碳數(shù)據(jù)收集流程，建立完整的碳排放數(shù)據(jù)庫，探究適合中國燃煤電廠的碳排放監(jiān)測、報告與核查制度是我國電力行業(yè)碳減排的前提，對達成雙碳目標(biāo)具有重要意義。

1 碳排放核算標(biāo)準(zhǔn)及政策

相比其他標(biāo)準(zhǔn)體系，在碳排放管理領(lǐng)域，國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系有待完善，是今后重點發(fā)展方向。由政府間氣候變化專門委員會(簡稱IPCC)制定的《2006 IPCC年國家溫室氣體清單指南》[10](簡稱指南)為目前世界上應(yīng)用最多的碳計量核算標(biāo)準(zhǔn)，并于2019年修改。2002年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)成立環(huán)境管理技術(shù)委員會(TC207)并于2007年成立溫室氣體管理標(biāo)準(zhǔn)化分技術(shù)委員會(SC7)，目前已發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)11項，正在修訂的有6項[11-12]。ISO分別在2006與2013年發(fā)布了ISO 14064系列標(biāo)準(zhǔn)和ISO 14067系列標(biāo)準(zhǔn)，大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)委員會(ISO/TC 146)在2014年發(fā)布ISO 19694《固定源排放——確定能量密集型行業(yè)的溫室氣體排放》系列標(biāo)準(zhǔn)[12]，目前世界各國也分別進行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)。

1.1 國外燃煤電廠的碳核算標(biāo)準(zhǔn)及政策

目前，美國火電主要采用在線監(jiān)測法(CEMS)核算碳排放量，根據(jù)官方統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，70%左右的火電安裝CEMS(Continuous Emission Monitoring System)設(shè)備進行碳排放監(jiān)測，美國煙囪高度較低，通常將在線監(jiān)測位點設(shè)置在煙囪80 m高處，測點氣態(tài)污染物混合均勻，數(shù)據(jù)代表性較高[13]。對于碳計量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，美國相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范主要在美國聯(lián)邦法規(guī)(CFR)第60、75和98章節(jié)。第40卷第98條規(guī)定受酸雨計劃約束(25 MW以上)燃煤機組須按聯(lián)邦法典第40卷第75條規(guī)定安裝CEMS監(jiān)測CO2排放量，并進行美國溫室氣體強制性報告(GHGRP)[14-15]，對于其他燃油燃氣電廠和小型燃煤電廠(25 MW以下)可采用傳統(tǒng)的核算法，報告將不同量化方法引入層級(Tier)概念，見表1。不同核算方法分為4個層級，層級間無高低之分。根據(jù)美國環(huán)保署數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2011—2017年，美國不同發(fā)電機組碳核算方法的應(yīng)用情況如圖1所示，采用CEMS的燃煤電廠數(shù)量約占總量的2/3，遠超其他2種核算法，CEMS在美國已成為主流趨勢。

表1 美國強制性報告下燃燒過程CO2量化方法[14-15]

圖1 美國發(fā)電機組碳核算方法應(yīng)用情況Fig.1 Application of carbon accounting methods for generating units in the United States

歐盟目前的碳計量采用核算法和在線監(jiān)測法并行。由于歐盟大部分燃煤電廠燃燒煤種單一，核算法應(yīng)用更普遍，歐盟十分重視CEMS發(fā)展，制定了一系列法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對CEMS進行質(zhì)量控制?！稖厥覛怏w排放核算及報告條例》(MRG)第3階段(2013—2020年)出臺了《監(jiān)測及報告條例》(MRR)及《認證及審核條例》，規(guī)定CEMS監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量等同核算法數(shù)據(jù)質(zhì)量[16]。歐盟碳排放交易體系(EU ETS)法規(guī)制度提出要增強核算方法靈活性、提高核算數(shù)據(jù)質(zhì)量及提高在線監(jiān)測法的認可度[17]，對規(guī)模超過20 MW的火電機組核算數(shù)據(jù)采取規(guī)范化管理，根據(jù)需要選擇核算法或在線監(jiān)測法，2020年22個歐洲國家約140臺機組采用在線監(jiān)測法[18]。

為保證CEMS數(shù)據(jù)質(zhì)量，在MRG中對參數(shù)的不確定度要求也引入層級概念，根據(jù)電廠CO2排放量將電廠分為4種，從小到大依次為A1、A2、B和C，A1級數(shù)最低，C級數(shù)最高，級數(shù)越高要求越高，對不同層級數(shù)據(jù)的不確定度要求[18-20]見表2。

表2 CEMS不確定度等級劃分[9,18-20]

歐盟碳排放交易體系快速發(fā)展，碳排放交易體系自2005年開始實施，先后經(jīng)起步、過渡、發(fā)展階段，目前處于長期發(fā)展階段。發(fā)展期間歐盟CO2排放量明顯減少，超額完成減排指標(biāo)。2022年6月22日，歐盟議會投票通過了碳邊境調(diào)節(jié)機制[21](CBAM)，要求進出口的高碳產(chǎn)品繳納或退還相應(yīng)的稅費或碳稅額，這是歐盟發(fā)展碳交易市場的重要一步。

除上述具有代表性的歐美國家，新西蘭也非常重視碳排放，2001年制定了《2002年應(yīng)對氣候變化法》，2008年成為世界上第2個建立碳交易市場的國家[22]。澳大利亞于2011年通過《清潔能源法案》，2015年正式建立碳排放交易市場，重視溫室氣體核算與報告，環(huán)境與能源部專門制定了2套管理信息系統(tǒng)對溫室氣體進行核算[23-24]。日本2009年公布碳足跡標(biāo)準(zhǔn)TS Q0010，對CO2排放量大的企業(yè)推出5項措施并立法，2010年推出強制性減排計劃，為碳排放交易市場推行做準(zhǔn)備[25]。

2000年后，國內(nèi)外開始建設(shè)溫室氣體核算體系，起步時間較晚，核算體系建設(shè)還不完善。2015年簽署《巴黎協(xié)定》后，各國加快了相關(guān)體系建設(shè)步伐，完善碳計量標(biāo)準(zhǔn)體系，為實現(xiàn)低碳發(fā)展而努力。

1.2 國內(nèi)燃煤電廠的碳核算標(biāo)準(zhǔn)及政策

我國碳排放標(biāo)準(zhǔn)及政策需基于我國基本國情，借鑒歐美等發(fā)達國家的碳核算標(biāo)準(zhǔn)體系經(jīng)驗，建設(shè)具有中國特色的碳核算標(biāo)準(zhǔn)體系。我國企業(yè)的碳排放計量工作最初參照ISO相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[26]，國家發(fā)展改革委等參考《IPCC指南》核算方法理論，2011年5月發(fā)布了《省級溫室氣體清單編制指南》，并于2013年10月發(fā)布了《中國發(fā)電企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》，推動了溫室氣體統(tǒng)計核算工作有序進行。2015年我國碳排放統(tǒng)計核算工作步入正軌，首次核算了基于實測法排放因子的中國碳排放總量，并修正了碳排放估計值，我國碳排放核算邁出了重要一步。同年，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局與中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會聯(lián)合發(fā)布了GB/T 32150—2015《工業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算和報告通則》、GB/T 32151.1—2015《溫室氣體排放核算與報告要求 第1部分發(fā)電企業(yè)》。2022年我國生態(tài)環(huán)境部對近2 a碳排放量達2.6×104t的發(fā)電企業(yè)執(zhí)行《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南發(fā)電設(shè)施(2022年修訂版)》標(biāo)準(zhǔn)，強化數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)督管理。與歐美國家相比，我國能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不同，碳排放量巨大，需制定中國特色的碳核算體系。文獻[27]探討了我國碳排放管理標(biāo)準(zhǔn)體系框架的建立可借鑒三維標(biāo)準(zhǔn)體系框架，根據(jù)制度需求和實際工作在每一維度進行分類。以標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)分類為例，主要分為4層5類，如圖2所示。以核算/評價和報告/核查為標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)，了解各大燃煤電廠的排放量范圍，以此為基礎(chǔ)制定最低標(biāo)準(zhǔn)值(基準(zhǔn)值)并強制實行，進而給出推薦的先進值，最后給出碳排放技術(shù)規(guī)范，依次遞進，形成碳排放管理標(biāo)準(zhǔn)體系。

圖2 碳排放管理標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)分類[27]Fig.2 Property classification of carbon emission management standards[27]

隨著雙碳目標(biāo)的推進，對碳核算的要求越來越高，基于目前碳計量標(biāo)準(zhǔn)體系，我國各電廠煤質(zhì)成分不同，普遍存在煤種摻燒現(xiàn)象，基數(shù)巨大的碳排放量僅依靠第三方碳核查機構(gòu)，消耗大量人力物力，且數(shù)據(jù)質(zhì)量無法保障，應(yīng)注重CEMS的發(fā)展。我國CEMS剛起步，沒有完整的核查體系，更缺乏衡量其測量數(shù)值準(zhǔn)確性的標(biāo)準(zhǔn)，無論是從成本方面考慮還是從準(zhǔn)確性方面衡量，現(xiàn)階段將CEMS實測法覆蓋發(fā)電企業(yè)不現(xiàn)實。但我國核算法已有最基本的核算體系與國家標(biāo)準(zhǔn)，可考慮先實現(xiàn)核算法的在線監(jiān)測，創(chuàng)建核算法的在線監(jiān)測平臺，為后續(xù)搭建實測法在線監(jiān)測平臺提供基礎(chǔ)。2020年6月，生態(tài)環(huán)境部公布《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃綱要(2020—2035年)》[28]提出遵循“核算為主、監(jiān)測為輔”的原則。國內(nèi)火電廠已逐步安裝監(jiān)測CO2的CEMS系統(tǒng)，彌補在線監(jiān)測法的數(shù)據(jù)空缺。2020年11月30日，中國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會發(fā)布《火力發(fā)電企業(yè)二氧化碳排放在線監(jiān)測技術(shù)要求》團體標(biāo)準(zhǔn)，2021年12月22日，首個《火電廠煙氣二氧化碳排放連續(xù)檢測技術(shù)規(guī)范》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，填補了我國在線監(jiān)測法標(biāo)準(zhǔn)的空缺。

2 不同碳排放計算方法

截至目前，國際上碳計量方法可基于核算數(shù)據(jù)的獲取方式、準(zhǔn)確度等，簡單分為核算法和在線監(jiān)測法，在線監(jiān)測法又稱實測法，目前國際上最常用的核算法是排放因子法和物料衡算法，均可實現(xiàn)碳排放的準(zhǔn)確計量。此外，基于燃煤電廠的碳排放特性，生命周期法和模型法也發(fā)展迅速。因此，本章將從排放因子法、物料衡算法、實測法、生命周期法和模型法5種方法介紹燃煤電廠碳計量的發(fā)展。

2.1 排放因子法

排放因子是表征單位生產(chǎn)或消費活動量的溫室氣體排放系數(shù)，如每單位化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量、每單位購入使用電量所對應(yīng)的CO2排放量等[29]。排放因子法(Emission Factor Method)在指南中進行了詳細介紹，是目前國際上使用最多的碳排放核算方法，為能源活動水平數(shù)據(jù)、排放因子和燃料碳氧化率的乘積，計算公式為

(1)

其中，E為CO2排放總量，t；AD,i為第i種燃料的消耗量，以熱值形式表示，TJ；EF,i為第i種燃料的排放因子，t/TJ(以CO2計)；OF,i為第i種燃料的碳氧化率，%。排放因子來源較多[30](表3)。指南中根據(jù)排放因子不同，分層次共給出3種燃煤電廠CO2排放清單編制方法，從方法1～3精度逐漸增加，具體分級方法如圖3所示。

表3 排放因子來源[30]

圖3 分級方法決策樹[10]Fig.3 Decision tree of hierarchical method[10]

方法1：采用指南提供的排放因子缺省值計算CO2排放量，對于燃煤電廠，指南根據(jù)熱值、含碳量、揮發(fā)分含量等因素將煤分為煙煤、無煙煤、褐煤等，針對每個煤種給出單位熱值含碳量和排放因子缺省值，默認碳氧化率為100%，無CO產(chǎn)生，全部轉(zhuǎn)化成CO2。該方法準(zhǔn)確性最低，指南中的參考值所有國家均適用，但不精確；方法2：該方法細化到燃料品種、燃燒技術(shù)等活動水平數(shù)據(jù)，采用特定國家排放因子計算碳排放；方法3：具體到廠級數(shù)據(jù)，采用特定情景下的排放因子核算CO2排放量，如在特定情況下實際測得的排放因子，是對方法2中排放因子的進一步升級。

針對我國燃煤電廠，目前普遍采用GB/T 32151.1—2015《溫室氣體排放核算與報告要求 第1部分發(fā)電企業(yè)》[31]規(guī)定的核算方法，CO2排放總量等于化石燃料燃燒、脫硫碳排放和外購電力碳排放之和，均采用排放因子法，即

E=Ef+Es+Ee，

(2)

(3)

(4)

Ee=AD，eEF，e。

(5)

其中，Ef為化石燃料燃燒碳排放量，t；Es為脫硫過程產(chǎn)生的CO2排放量，t；Ee為企業(yè)購入的電力碳排放量，t；CAL,k為第k種脫硫劑中碳酸鹽消耗量，t；EF,k為第k種碳酸鹽的排放因子，t/t(以CO2計)；AD，e為外購電量，MWh；EF，e為區(qū)域電網(wǎng)平均供電排放因子，t/MWh(以CO2計)?；剂先紵呐欧乓蜃訛樵靥己颗c碳氧化率的乘積，直接影響碳排放。目前，元素碳含量檢測分為自檢和送檢，從長期發(fā)展來看，推薦獲得相關(guān)資質(zhì)的企業(yè)自檢?！吨袊l(fā)電企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南》[32]給出元素碳含量檢測方法，提出企業(yè)每天采集縮分樣品，每月最后一天將該月每天獲得的縮分樣品混合，測量月入爐煤的元素碳含量。對于燃煤機組的碳氧化率可使用實測值或缺省值，對于脫硫產(chǎn)生的碳排放僅在使用鈣法脫硫時考慮。

排放因子法簡單直接，在缺乏準(zhǔn)確統(tǒng)計數(shù)據(jù)的情況下，具有較好的可行性和適用性。聶曦等[33]針對《溫室氣體核算方法與報告核算指南(試行)》缺少企業(yè)計量數(shù)據(jù)來源和頻率問題，指出對于燃煤單位熱值含碳量和碳氧化率首選檢測獲得的數(shù)據(jù)。索新良等[34]以2臺600 MW燃煤機組為例，利用經(jīng)驗公式擬合得到燃煤干燥基含碳量，使用排放因子法計算燃料燃燒和脫硫過程產(chǎn)生的CO2，發(fā)現(xiàn)燃煤碳排放占全廠碳排放98%以上。蓋志杰等[35]以蒙古自治區(qū)燃煤電廠為例，介紹了對活動水平和排放因子的計算與獲取過程，并探究了電廠碳排放量與供電量之間的關(guān)系。

排放因子法活動水平的選擇、收集以及排放因子的選取、測算直接影響最終碳排放量，是不確定度的主要來源。針對排放因子本身的計算，JEON等[36]以韓國8個燃煤電廠為研究對象，運用檢測的燃煤熱值、碳氫含量及煙囪煙氣CO2濃度計算對應(yīng)的排放因子，發(fā)現(xiàn)相比IPCC推薦缺省排放因子計算的碳排放量，使用無煙煤和亞煙煤排放因子計算的碳排放量分別高10.8%和1.9%，煙煤低5.5%。LIU等[37]測算了我國燃煤發(fā)電過程和水泥生產(chǎn)過程中的碳排放量，發(fā)現(xiàn)通過實測計算出的排放因子與IPCC推薦排放因子的比值為0.6∶1.0，說明排放因子的缺省值與實測值差別較大。針對排放因子及活動水平對碳排放量的影響。吳曉蔚等[38]計算了某火電廠CO2排放量，并將其與套用IPCC計算所得溫室氣體排放量進行對比，發(fā)現(xiàn)偏差達7.5%。王小龍等[39]基于A、B兩電廠運行數(shù)據(jù)，研究了排放因子的單位熱值含碳量和碳氧化率對碳排放量的定量影響，發(fā)現(xiàn)二者對碳排放量最終影響分別為2%～10%和0.06%。朱德臣[40]采用56家發(fā)電企業(yè)的431組數(shù)據(jù)，分別計算基于實際檢測元素碳含量得到的單位熱值含碳量與缺省值對應(yīng)的碳排放量，發(fā)現(xiàn)接近50%企業(yè)采用缺省值計算的碳排放量更高，會增加碳排放權(quán)交易的損失。孫建衛(wèi)等[41]結(jié)合IPCC國家溫室氣體清單方法，利用因素分解法計算中國2005年碳排放強度為1.905 Gt，該結(jié)論高于其他學(xué)者計算結(jié)果，如魏一鳴等[42]和劉強等[43]對中國碳排放總量的核算結(jié)果分別為1.37 Gt和1.505 Gt。文獻[37]也指出其他數(shù)據(jù)選擇相同時，由于不同研究機構(gòu)給出的排放因子之間存在差異，導(dǎo)致計算結(jié)果最大相對偏差可達40%。

綜上所述，排放因子法流程較簡單，但我國煤炭種類及發(fā)電技術(shù)水平與國外相比存在差異，使用缺省的排放因子數(shù)據(jù)，不一定能反映中國燃煤電廠CO2排放量的真實數(shù)據(jù)，應(yīng)結(jié)合國情建立國家溫室氣體排放因子數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)籌推進各行業(yè)各類設(shè)施的排放因子測算，提高精準(zhǔn)度，建立數(shù)據(jù)庫常態(tài)化、規(guī)范化更新機制，為碳排放核算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

2.2 物料衡算法

物料衡算法(MaterialBalance Algorithms)為質(zhì)量平衡，規(guī)定系統(tǒng)邊界后，進入系統(tǒng)的物質(zhì)投入量等于離開系統(tǒng)的物質(zhì)產(chǎn)出量，計算公式為

∑Gin=∑Gpro+∑Gout，

(6)

式中，Gin為投入物料總和，t；Gpro為所得產(chǎn)品量總和，t；Gout為物料和產(chǎn)品流失量總和，t。

燃煤電廠物料衡算法主要是碳平衡的運用，基于煤炭、飛灰和爐渣含碳量等數(shù)據(jù)，計算碳排放量。李進等[44]分析了燃煤電廠內(nèi)部的碳流通過程，從燃料消耗和脫硫劑消耗量出發(fā)，基于碳平衡關(guān)系，建立燃煤過程和脫硫過程的CO2排放量計算模型，并以單位發(fā)電量的碳排放量為碳排放強度，比較機組間排放水平。但模型較簡單，計算數(shù)據(jù)的獲取及結(jié)果存在誤差，未考慮廠用電系統(tǒng)對機組碳排放量的影響。段升飛[45]采用碳平衡法，假定燃料燃燒全部轉(zhuǎn)化為CO、CO2、總碳氫(THC)和顆粒物中的碳，定義不完全燃燒系數(shù)，計算CO2排放因子。譚超[46]在100%碳氧化率、無爐渣飛灰含碳量下的碳氧化率以及實測碳氧化率3種情形下，使用碳平衡法計算某電廠碳排放量，利用碳平衡法計算結(jié)果對排放因子和碳氧化率進行折算，結(jié)果表明碳平衡法最接近電廠實際排放情況，但計算精度很大程度上取決于電廠煤耗量及相關(guān)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。蔡宇等[47]基于燃煤電廠的煤質(zhì)日報和經(jīng)濟日報等數(shù)據(jù)，根據(jù)能量守恒，建立以供電煤耗為基礎(chǔ)的碳排放率計算模型，實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果與IPCC缺省排放因子法的相對誤差達27%～35%，并指出燃煤中氫含量是2種計算方法結(jié)果差異的重要原因，但模型未考慮脫硫過程的碳排放量。文獻[48]基于碳平衡法，以煤粉鍋爐機組和循環(huán)流化床鍋爐機組為研究對象，將化石燃料燃燒碳排放、脫硫碳排放和外購電力碳排放為碳排放核算邊界，具體碳流通如圖4所示。建立供電碳排放強度計算模型，探究發(fā)電機組的運行狀態(tài)和每個組成部分對供電碳排放強度的影響，效果較好。

圖4 燃煤電廠碳流通[48]Fig.4 Carbon circulation in coal-fired power plants[48]

物料衡算法是核算法中相對準(zhǔn)確的核算方法，但需收集大量數(shù)據(jù)，碳排放數(shù)據(jù)完整時，可考慮物料衡算法。

2.3 實測法

實測法(Measure Method)是通過連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)，直接測量排放氣體的流量、流速和濃度等參數(shù)計算氣體排放總量的計算方法[13]，計算公式與表1一致。

歐美國家實測法發(fā)展成熟，具有較完整的碳數(shù)據(jù)庫，并利用所測數(shù)據(jù)開展研究。SCHIVLEY等[49]根據(jù)電力部門CEMS歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，對2001—2017年美國各地區(qū)年度、季度、月度碳排放強度進行核算，指出由于新能源發(fā)電占比增加，在統(tǒng)計期間美國CO2排放強度降低了30%左右。在我國，朱曉睿[50]分析了可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)檢測CO2排放的優(yōu)勢及應(yīng)用到燃煤電廠上的可能性，對比研究了幾種吸收光譜基線擬合方法，分析其在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的適用性，并通過模擬實際檢測環(huán)境進行測量試驗，分析影響CO2濃度檢測精度的主要因素。李崢輝等[51]開發(fā)了一套適用于燃煤電廠的碳排放量在線監(jiān)測系統(tǒng)，按照取樣、數(shù)據(jù)預(yù)處理、再測量的技術(shù)路線，實現(xiàn)碳排放速率實時測量和排放總量統(tǒng)計。

燃煤電廠煙氣采樣方式有抽取采樣法和直接測量法，國內(nèi)電廠主要使用直接測量法。直接測量法又分為點測量和線測量2種。點測量是將傳感器安裝在探頭端部，探頭直接插入煙道內(nèi)測量CO2濃度；線測量是將傳感器和探頭直接安裝在煙道或煙囪上，再利用光譜分析技術(shù)或激光技術(shù)對被測物進行長距離直線型在線測量。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，實測法的煙氣流量檢測設(shè)備精度及抽取煙氣位置不同，會導(dǎo)致CEMS測量誤差偏差達30%[52]。文獻[46]計算了某安裝煙氣檢測系統(tǒng)的燃煤發(fā)電機組碳排放量，發(fā)現(xiàn)實測法的測量結(jié)果穩(wěn)定性差、數(shù)值跨度大，部分測量數(shù)據(jù)遠高于碳平衡法等計算法的結(jié)果，這是由于煙道或煙囪中流場分布不均使測量的煙氣流量和流速存在較大誤差。因此對固定排放源較少的火電行業(yè)，探究煙道和煙囪內(nèi)不同工況下氣體截面流場的均勻性，確定有代表性的測量位點，可大幅提高實測法的測量精度，進而優(yōu)化碳核算方法。目前也有不少學(xué)者對煙道和煙囪流場進行研究。王彤等[53]針對核電廠氣態(tài)放射性物質(zhì)在管道或煙囪氣體流場中分布不均勻問題，以電廠改造前、后煙囪取樣系統(tǒng)布置處的氣體流場作為研究對象，運用流體動力學(xué)(CFD)方法對煙囪氣體取樣，并進行數(shù)值模擬計算，通過分析平均氣旋角、速度分布、示蹤氣體分布、示蹤氣體最大濃度偏差和示蹤氣溶膠分布等指標(biāo)，判定核電廠煙囪取樣處氣體流場的混合均勻情況，最終確定改造后的煙囪高度取樣符合標(biāo)準(zhǔn)要求。KANG等[54]基于煙氣流速研究，將GUM和蒙特卡洛方法應(yīng)用于能源發(fā)電廠的現(xiàn)場煙囪，用皮托管測量煙囪氣體流量，估計CEMS碳排放的不確定度。發(fā)現(xiàn)皮托管測量體積氣體流量的相對擴展不確定度為3.81%，與蒙特卡洛方法不確定度評定結(jié)果相近，誤差僅為0.05%。楊光俊等[55]建立煙塔合一和煙囪的數(shù)值模型，研究了氣態(tài)污染物濃度場和固態(tài)顆粒污染物運動軌跡。石巖[56]以某燃煤電廠尾部煙道為研究對象，運用數(shù)值模擬方法，對鍋爐尾部煙道空預(yù)器出口到引風(fēng)機入口段煙道及主要零部件分別進行流場和濃度場分布優(yōu)化設(shè)計，并分析優(yōu)化前后磨損特性，提出防磨建議，為燃煤電廠鍋爐尾部煙道設(shè)計和優(yōu)化提供重要依據(jù)。

目前中國燃煤電廠安裝的在線監(jiān)測系統(tǒng)多用于NOx監(jiān)測，專門用于CO2監(jiān)測的在線監(jiān)測系統(tǒng)較少，維修安裝CO2在線監(jiān)測模塊成本較高，準(zhǔn)確性受檢測設(shè)備精度和穩(wěn)定性限制，目前擁有完整的CO2在線監(jiān)測系統(tǒng)的電廠較少。我國電廠摻燒現(xiàn)象嚴重，實測法的監(jiān)測結(jié)果理論上優(yōu)于核算法，在雙碳目標(biāo)下，國家正以火電企業(yè)為示范大力發(fā)展實測法，未來電廠的實測法將進入快速發(fā)展階段。

上述3種方法是目前燃煤電廠進行碳排放核算的常用方法，其優(yōu)缺點、適用對象見表4。

表4 3種核算方法對比

2.4 其他方法

生命周期法(Life Cycle Method)是對一個產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評價[57]，該定義由ISO提出，目前被廣泛接受。燃煤電廠碳排放源主要來源于生產(chǎn)準(zhǔn)備階段、生產(chǎn)階段和廢物處理階段[48](圖5)。3種核算方法主要集中在燃煤電廠的生產(chǎn)階段，相比常用傳統(tǒng)方法，生命周期法可盡可能囊括燃煤電廠的碳排放源，核算邊界更廣。夏德建等[58-60]先后建立了基于生命周期分析的中國煤炭能源鏈碳排放計算模型，前者應(yīng)用情景分析法，對燃煤電廠各環(huán)節(jié)建立煤電鏈生命周期碳排放計量模型，計量得到煤電鏈不同情境下碳排放，同期，對燃煤發(fā)電環(huán)節(jié)進行定量分析，得到CO2排放量為840.19 g/kWh。后者對溫室氣體排放來源及規(guī)模進行比較，發(fā)現(xiàn)燃煤電廠CO2排放量為990.72 g/kWh。CHANG等[61]根據(jù)全生命周期理論，研究燃煤在開采分選階段的溫室氣體排放情況，給出采煤和選煤過程中原煤損失率、電能消耗對應(yīng)的CO2排放因子。文獻[62]考慮到我國產(chǎn)煤地區(qū)與燃煤電廠距離較遠，運輸過程碳排放量較大，因此在CO2排放邊界中加入原煤從開采到運輸至電廠燃燒過程中的直接或間接碳排放源，建立燃煤電廠全生命周期CO2排放量計算模型。張莉[63]運用生命周期法對超低碳排放燃煤電廠的碳排放進行估算，核算內(nèi)容包括煤的獲取和運輸過程、電力生產(chǎn)過程以及廢棄物處理過程。研究發(fā)現(xiàn)整個電廠平均CO2排放因子為786 g/kWh，明顯低于我國燃煤電廠CO2排放因子平均值。同時用生命周期評價法將應(yīng)用超低碳排放技術(shù)的電廠與應(yīng)用CO2捕集與封存技術(shù)(CCS)的電廠進行比較，對碳減排效果做出評價。燃煤電廠包含多個系統(tǒng)，系統(tǒng)之間還存在耦合現(xiàn)象，易漏算或重復(fù)計算碳排放量，生命周期法可全面核算整個電廠的碳排放，但計算電廠外各過程碳排放量時采用的是排放因子缺省值[64]，因此計算的碳排放量核算范圍全面但不精確，多數(shù)情況下用于碳排放量的估算。

圖5 燃煤電廠不同生產(chǎn)階段的碳排放源[48]Fig.5 Carbon emission sources in different production stages of coal-fired power plants[48]

模型法(Model Method)是基于能源輸入產(chǎn)出、技術(shù)類型等因素進行建模，關(guān)于碳排放模型有IPAT/Kaya恒等式、STIRPAT模型、對數(shù)平均迪氏指數(shù)法(LMDI)、廣義迪氏指數(shù)分解法(GDIM)、經(jīng)濟-能源-環(huán)境-一般均衡模型等[65]，這些模型可根據(jù)實際場景分析影響碳排放的主要因素，可估算人類活動等對碳排放的影響，將經(jīng)濟、政策和人口等因素與人類活動產(chǎn)生的碳排放相關(guān)聯(lián)，根據(jù)核算邊界不同，可預(yù)測全球、國家或某區(qū)域的碳排放量[66-70]，多用于宏觀預(yù)測，具體到單個電廠的碳排放，應(yīng)用較少。隨著計算機技術(shù)快速發(fā)展，基于機器學(xué)習(xí)的模型被廣泛應(yīng)用于燃煤電廠，選取影響碳排放的主要因素作為模型輸入，以碳排放量作為模型輸出，選取合適的模型可實現(xiàn)燃煤電廠的碳排放預(yù)測，有利于國家及時了解電廠碳排放發(fā)展趨勢并制定相應(yīng)的減排政策。孟欣欣[71]以煤質(zhì)參數(shù)和配風(fēng)量為輸入，以CO2排放量為輸出，選用某燃煤電廠提供的150組樣本數(shù)據(jù)，通過最小二乘支持向量機進行訓(xùn)練，獲得輸入量與輸出量之間的關(guān)系模型。最后，選用20組數(shù)據(jù)進行驗證，結(jié)果顯示預(yù)測數(shù)學(xué)模型結(jié)果與實際值最大偏差為9.86%。米國芳等[72]使用帶有周期性殘差修正功能的改進GM(1,1)模型，對我國2011—2013年火電企業(yè)的CO2排放量進行預(yù)測。除直接利用模型法進行碳排放預(yù)測外，也可采用模型法對碳排放計算過程中的關(guān)鍵參數(shù)進行預(yù)測，如通過易獲得的工業(yè)分析數(shù)據(jù)計算元素碳含量，可降低檢測成本并克服某些電廠核心數(shù)據(jù)缺失的問題。文孝強等[73]以工業(yè)分析數(shù)據(jù)為輸入、元素碳含量為輸出，利用偏最小二乘回歸算法，得到輸入輸出的預(yù)測方程式，并對模型進行檢驗，結(jié)果表明模型平均相對誤差為6.12%。許巧玲等[74]同樣以工業(yè)分析數(shù)據(jù)為輸入，采用蟻群算法與支持向量機結(jié)合的方法對某工業(yè)鍋爐碳元素含量進行預(yù)測，結(jié)合鍋爐基本參數(shù)、運行參數(shù)及煤耗量得到CO2排放量計算公式，與傳統(tǒng)多元線性回歸預(yù)測方法比較，結(jié)果顯示預(yù)測平均誤差為0.64%，優(yōu)于傳統(tǒng)回歸方法。衛(wèi)冬麗[75]利用Matlab采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，以工業(yè)分析數(shù)據(jù)為輸入、以元素碳含量為輸出，建立基于元素碳含量碳排放模型計算燃煤電廠碳排放，得到的最終預(yù)測值相對誤差絕對值為0.602%，并以某電廠為例，進行了準(zhǔn)確性驗證。

生命周期法和模型法常與排放因子法、物料衡算法結(jié)合使用。我國燃煤電廠數(shù)量巨大，規(guī)模不同，部分電廠無法給出完整的碳排放計量所需數(shù)據(jù)，如元素碳檢測送檢成本高、自檢需檢測資質(zhì)等問題使部分電廠缺少元素碳檢測數(shù)值；核算范圍有時存在局限性，對于煤耗大、煤炭產(chǎn)地較遠的電廠，煤開采及運輸產(chǎn)生的碳排放量較大，應(yīng)計入碳核算范圍。生命周期法和模型法的加入會在一定程度上提高碳排放核算的準(zhǔn)確性。

綜上所述，燃煤電廠核算過程中，根據(jù)實際要求可選擇不同的核算方法。如僅考慮化石燃料燃燒碳排放、脫硫碳排放和外購電力碳排放時，排放因子法、物料衡算法和實測法可相對準(zhǔn)確計算碳排放。排放因子法過程簡單，但誤差較大，具有詳細碳排放數(shù)據(jù)時可采用物料衡算法或?qū)嶋H計算的排放因子計算碳排放，提高精確度；若電廠具備CO2在線監(jiān)測裝置和相應(yīng)數(shù)據(jù)質(zhì)量保證措施，應(yīng)優(yōu)先考慮實測法；當(dāng)考慮電力生產(chǎn)階段的上下游碳排放時，可應(yīng)用生命周期法擴大核算邊界；具備電廠運行數(shù)據(jù)和基本數(shù)據(jù)時，可采用模型法直接預(yù)測碳排放量或預(yù)測關(guān)鍵碳排放數(shù)據(jù)——元素碳含量。

3 核算法與實測法數(shù)據(jù)對比

從國際上看，核算法與實測法在歐美等發(fā)達國家皆有較成熟的應(yīng)用，均有較完整的核算法和CEMS碳排放數(shù)據(jù)庫，有學(xué)者分析了2種方法所得碳排放數(shù)據(jù)的差距。ACKERMAN等[76]基于美國能源信息署(EIA)數(shù)據(jù)庫和美國環(huán)境保護署(eGRID)2個數(shù)據(jù)庫的碳排放數(shù)據(jù)，運用核算法和實測法分別計算了美國連續(xù)CO2排放量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電廠總排放量(電力加上有用的熱輸出)方面相差3.5%，發(fā)電方面僅相差2.3%。然而，細化到單個發(fā)電廠排放估算值時，平均絕對差較大，分別為16.9%和25.3%(圖6)。QUICK[77]選取EIA和清潔空氣市場部門(CAMD)的210家發(fā)電企業(yè)為研究對象，分析了核算法和在線監(jiān)測法的差異。BORTHWICK等[78]和GURNEY等[79]研究了美國各數(shù)據(jù)庫的排放數(shù)據(jù)差異，討論了數(shù)據(jù)差異對政府制定相關(guān)政策的影響。

圖6 EIA與eGRID數(shù)據(jù)庫計算差距[76]Fig.6 Calculation gap between EIA and eGRID database[76]

針對單個電廠的數(shù)據(jù)差異，文獻[38]利用紅外氣體分析儀直接監(jiān)測我國30臺具有代表性的火力發(fā)電機組CO2排放，結(jié)果表明，直接監(jiān)測獲取的折算排放因子比IPCC缺省值高。段志潔等[80]以600 MW超超臨界火力發(fā)電機組為試點，首次安裝中國溫室氣體在線檢測系統(tǒng)，對比了排放因子法、物料衡算法和CEMS三種測量法的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)直接監(jiān)測法數(shù)值波動大，且高于排放因子法計算結(jié)果。張海濱等[81]使用煙氣分析儀等儀器直接監(jiān)測CO2濃度、CO濃度、煙氣流速等計算CO2排放，結(jié)果表明，相比排放因子法，直接監(jiān)測法計算結(jié)果準(zhǔn)確且數(shù)值更小。張欽等[82]對比了北京市3家電廠的有效核算法數(shù)據(jù)和在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，對在線監(jiān)測法中不合格和缺少的數(shù)據(jù)進行替代，采用相對差距衡量對比(式(7))，計算結(jié)果如圖7所示，與學(xué)者基于發(fā)達國家大量企業(yè)數(shù)據(jù)得到的分析結(jié)果基本一致。

(7)

式中，IRD,j為第j個電廠核算法與在線監(jiān)測法數(shù)據(jù)相對差距，%；ECEMS,j為第j個電廠在線監(jiān)測法所得CO2排放量，t；EETS,j為第j個電廠核算法所得CO2排放量，t。

圖7 在線監(jiān)測法和排放因子法碳排放數(shù)據(jù)的一致度[82]Fig.7 Consistency of carbon emission data obtained by online monitoring method and emission factor method[82]

針對不同監(jiān)測方法不確定度水平及來源分析，LEE等[83]以某燃燒煙煤電廠為例，核算法測得的碳排放量比CEMS低12.27%，IPCC默認的凈熱值是核算法不確定度的主要來源，煙氣體積流量測量是CEMS不確定度的主要來源。QUICK等[84]認為，CEMS測量碳排放數(shù)據(jù)的不確定度范圍低于核算法，相比之下煙氣濃度測量較可靠。

在線監(jiān)測法可直接測量煙氣中CO2濃度和流量，在保證監(jiān)測位點具有代表性的前提下，碳計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性高于核算法，且可實時更新，中間過程少，操作簡單。尤其在燃煤電廠存在嚴重摻燒現(xiàn)象時，核算法會產(chǎn)生較大誤差。

4 結(jié)語與展望

論述了歐美等發(fā)達國家的碳排放計量發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了燃煤電廠常用的排放因子法、物料衡算法和實測法，總結(jié)了優(yōu)缺點和適用范圍。介紹了生命周期法和模型法，彌補了電廠核算范圍不全和關(guān)鍵碳排放核算數(shù)據(jù)缺失問題。最后論述了核算法和實測法數(shù)據(jù)對比現(xiàn)狀，闡明核算法和實測法的誤差來源。相比其他標(biāo)準(zhǔn)體系，國內(nèi)外在碳排放管理領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系有待完善。歐美等發(fā)達國家發(fā)展較早，初步形成了各自的碳計量體系。我國尚缺少完整的碳計量體系，實測法處于初步發(fā)展階段，缺少完整的碳核算數(shù)據(jù)庫，標(biāo)準(zhǔn)及政策有待完善。近年來，隨著我國碳計量體系的發(fā)展，我國逐步實現(xiàn)“核算為主，監(jiān)測為輔”的碳排放核算方法。針對國際上流行的碳計量方法，排放因子法應(yīng)用范圍最廣，計算過程較簡單，但若直接運用IPCC指南的排放因子缺省值計算我國燃煤電廠碳排放，誤差較大；物料衡算法應(yīng)用較多，利用碳平衡計算燃煤電廠碳排放量，計算中間過程較多，需要完整數(shù)據(jù)才可獲得準(zhǔn)確的碳排放量；實測法與其他計算方法不同，可直接測量煙氣中CO2濃度與煙氣流量，理論上可獲得更準(zhǔn)確的碳排放數(shù)值，在我國政策推動下有望快速發(fā)展；生命周期法可加入電力生產(chǎn)階段的上下游碳排放，故可以擴大核算邊界；模型法可直接預(yù)測碳排放量或預(yù)測關(guān)鍵碳排放數(shù)據(jù)——元素碳含量，彌補關(guān)鍵核算數(shù)據(jù)缺失問題。這5種方法可根據(jù)獲取核算數(shù)據(jù)的方法不同分為實測法和核算法2類，通過對比發(fā)現(xiàn)核算法的主要誤差來源為排放因子和凈熱值等數(shù)值的選取和測量，實測法的主要誤差來源為煙氣流量和CO2濃度的測量，但實測法一般優(yōu)于核算法。我國火電廠煤種混燒較為普遍，因此，加快實測法的發(fā)展是未來發(fā)展趨勢。

我國是煤炭大國，火電行業(yè)是目前碳排放主要來源。在雙碳目標(biāo)下，實現(xiàn)煤炭資源清潔高效利用，制定碳減排政策，減少CO2等溫室氣體排放是我國燃煤電廠亟待解決的問題。碳排放統(tǒng)計核算是科學(xué)制定國家政策、評估考核工作進展的數(shù)據(jù)依據(jù)，是燃煤電廠實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的基石。因此，需加強以下研究：① 我國火電行業(yè)須加快碳計量方法發(fā)展和碳數(shù)據(jù)庫完善，促進我國碳交易市場的發(fā)展，構(gòu)建完整的碳計量方法標(biāo)準(zhǔn)體系；② 深入探究核算方法的不確定來源，優(yōu)化核算法和在線監(jiān)測法；③ 基于全流程碳平衡原理，探究核算法與在線監(jiān)測法之間的耦合關(guān)系，建立數(shù)據(jù)對比方法，提高碳排放核算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；④ 制定相關(guān)政策法規(guī)制度，規(guī)范電廠碳計量方法流程，保證碳排放數(shù)據(jù)質(zhì)量，形成中國特色的統(tǒng)一規(guī)范的燃煤電廠碳排放統(tǒng)計核算體系，為碳達峰碳中和工作提供全面、科學(xué)、可靠的數(shù)據(jù)支持。