“雙碳”目標(biāo)下火電廠CO2計(jì)量技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

張安安，周奇，李茜，丁寧，楊超，馬巖

（西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川省 成都市 610000）

0 引言

全球溫室效應(yīng)突出，氣候變暖帶來的問題日益顯著，全球氣候變暖的主要原因之一是以CO2為主的溫室氣體大量排放[1-2]。根據(jù)政府部門發(fā)布的《中華人民共和國氣候變化第二次兩年更新報(bào)告》數(shù)據(jù)，近5年中國電力行業(yè)CO2排放量占總體CO2排放量的40%，工業(yè)生產(chǎn)CO2排放量占比約為25%，交通運(yùn)輸CO2排放量占比為10%~15%，其他領(lǐng)域(如農(nóng)業(yè)、廢棄物處理等)的CO2排放量不超過5%。電力行業(yè)長期以來作為中國最大的能源消耗及產(chǎn)出部門，化石燃料燃燒產(chǎn)生的大量CO2直接或間接排放到空氣中是電力行業(yè)碳排放量居高不下的主要原因[3]。2020年，中國承諾“力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”(簡稱“雙碳”目標(biāo))[4]。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，明確提出了“碳達(dá)峰十大行動(dòng)”，并對電力行業(yè)及相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的CO2減排措施進(jìn)行部署。2022年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《關(guān)于做好2022年企業(yè)溫室氣體排放報(bào)告管理相關(guān)重點(diǎn)工作的通知》，強(qiáng)調(diào)電力行業(yè)重點(diǎn)任務(wù)，強(qiáng)化電力數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)督管理，《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南 發(fā)電設(shè)施(2022年修訂版)》成為發(fā)電行業(yè)溫室氣體排放核算的主要依據(jù)。為響應(yīng)國家“碳達(dá)峰”“碳中和”決策，精確的CO2計(jì)量技術(shù)成為了實(shí)現(xiàn)CO2減排措施的基礎(chǔ)[5-6]。2021年底，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《“十四五”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃》的通知，提出建立重點(diǎn)排放單位溫室氣體排放源監(jiān)測的管理體系和技術(shù)體系，并在火電行業(yè)開展碳排放監(jiān)測試點(diǎn)。針對各行業(yè)，特別是電力能源部門，實(shí)施可靠、準(zhǔn)確的CO2計(jì)量是助力中國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)至關(guān)重要的舉措，不僅可以對火電廠的CO2排放情況進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測和計(jì)量，還可以優(yōu)化火電廠生產(chǎn)流程和能源消耗等方面，有效控制成本，提高生產(chǎn)效率和能源效率。

實(shí)現(xiàn)火電廠CO2計(jì)量的主要途徑有核算和監(jiān)測。核算方法主要是通過盡可能全面地獲取火電廠的CO2排放數(shù)據(jù)，推算出一段時(shí)間內(nèi)的CO2排放量。監(jiān)測方法是利用氣體檢測設(shè)備對火電廠排放源進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，結(jié)合相應(yīng)的量化方法得到CO2排放量的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)[7]。

本文對核算和監(jiān)測2種火電廠CO2計(jì)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，總結(jié)歸納存在的問題，并對火電廠CO2計(jì)量技術(shù)應(yīng)用的重難點(diǎn)進(jìn)行分析。最后，對火電廠CO2計(jì)量技術(shù)在中國電力行業(yè)的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 火電廠CO2排放核算方法

火電廠CO2排放核算指對火電廠的CO2排放量進(jìn)行定量估算和測算。目前，火電廠常用CO2排放核算方法包括排放因子法和物料平衡法。

1.1 排放因子法

排放因子法是CO2核算最常用的方法，計(jì)算簡單且應(yīng)用廣泛。排放因子法實(shí)現(xiàn)計(jì)量的核算依據(jù)，主要基于聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)報(bào)告中發(fā)布的各行業(yè)年度缺省排放因子數(shù)值，以及具體行業(yè)實(shí)際CO2活動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，其中企業(yè)CO2活動(dòng)數(shù)據(jù)由相關(guān)監(jiān)管部門進(jìn)行統(tǒng)計(jì)查證后獲得[8]。以某火電廠的發(fā)電設(shè)施為例，利用碳排放因子進(jìn)行核算，可分為化石燃料燃燒排放核算及購入電力排放核算2部分?；剂先紵寂欧虐ɑ剂系娜紵^程以及其他工藝流程(如除塵、脫硫和脫硝等)[9]。首先，對該發(fā)電廠化石燃料燃燒及電力購置的年度CO2活動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；其次，確定火電廠化石燃料的排放因子，其中IPCC的缺省排放因子一般在缺乏準(zhǔn)確數(shù)據(jù)或無法進(jìn)行詳細(xì)測量的情況下使用，對火電廠核算而言，可以根據(jù)國際能源署(International Energy Agency，IEA)等數(shù)據(jù)庫或者火電廠設(shè)備制造商、燃料供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)確定其燃料排放因子；最后，通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算，獲得該發(fā)電廠發(fā)電設(shè)施的年度CO2排放總量。其中，火電廠化石燃料燃燒部分的CO2活動(dòng)數(shù)據(jù)為燃料消耗量與平均低位發(fā)熱值的乘積。

火電廠CO2排放總量表示為

式中：E燃料為火電廠燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，t；E電為火電廠外購電力產(chǎn)生的CO2排放量，t。

E燃料表達(dá)式如下：

式中：AD燃料i為第i種燃料的CO2活動(dòng)數(shù)據(jù)，GJ；EFi為第i種燃料的CO2排放因子，t/GJ；FC燃料i為第i種燃料的消耗量，t；NCV燃料i為第i種燃料的平均低位發(fā)熱值，GJ/t。

E電表達(dá)式如下：

式中：AD外購電為火電廠購入電量，MW?h；EF電為火電廠區(qū)域電網(wǎng)年平均供電排放因子，t/(MW?h)。

排放因子法是一種較為宏觀的量化方法，其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單、易于理解、應(yīng)用廣泛、較為成熟，但受火電廠排放因子的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性等限制。以火電為主的電力系統(tǒng)為例，利用碳排放因子法進(jìn)行核算，需要全面考慮不同種類化石燃料燃燒的CO2排放情況，合理選取碳排放因子，計(jì)算CO2排放量。換言之，針對能源構(gòu)成相對復(fù)雜的主體，采用排放因子法進(jìn)行CO2核算的前提是獲取準(zhǔn)確全面的CO2活動(dòng)數(shù)據(jù)。然而，近年來電力系統(tǒng)可再生能源發(fā)電量占比不斷上升，碳排放因子的時(shí)空差異性日漸明顯，且存在數(shù)據(jù)收集效率低、時(shí)效性較差、人為干擾因素較多等問題，碳排放因子法的應(yīng)用隨著能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變與調(diào)整受到階段性的限制與制約。

1.2 物料平衡法

物料平衡法也叫元素平衡法，是基于燃料消耗量及質(zhì)量守恒定律，通過跟蹤和量化各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的CO2排放量，來計(jì)算企業(yè)某一時(shí)段的CO2排放總量。針對電廠工藝流程，火電廠的CO2來源包括化石燃料等原料及外購電力。而CO2排放主要形式包括產(chǎn)品碳及直接、間接碳排放[10]。

火電廠裝置原料帶入的碳總量表示為

火電廠燃料剩余物質(zhì)帶出的碳總量表示為

火電廠排放的碳排放總量表示為

火電廠碳平衡表示為

式中：Mm原料為原料m的年消耗量，t；αm碳為原料m中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Mj產(chǎn)品為燃料剩余物質(zhì)j的年消耗量，t；βj碳為產(chǎn)品j中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Mk排放為廢棄物k的年排放量，t；ηk碳為廢棄物k中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

物料平衡法作為一種理論估算方法較為簡便，要求火電廠燃料燃燒過程中只生產(chǎn)CO2這一種溫室氣體，但在實(shí)際作業(yè)中，碳元素燃燒也會(huì)產(chǎn)生大量CO等。同時(shí)也需要企業(yè)具有完善的基礎(chǔ)生產(chǎn)記錄，目前我國大部分中小型企業(yè)不具備記錄完整生產(chǎn)過程的統(tǒng)計(jì)能力，大量基礎(chǔ)生產(chǎn)記錄缺失，物料平衡法實(shí)施難度較大[11]。

2 火電廠CO2監(jiān)測方法

2.1 火電廠工作流程

火電廠通常將化石燃料通過運(yùn)輸系統(tǒng)供應(yīng)到燃燒鍋爐中并點(diǎn)燃，與空氣進(jìn)行燃燒反應(yīng)，釋放熱能。同時(shí)燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^鍋爐加熱水，將水轉(zhuǎn)化為高溫、高壓的蒸汽，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，驅(qū)動(dòng)輪轂旋轉(zhuǎn)。汽輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械能，通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在燃燒過程中，火電廠會(huì)產(chǎn)生CO2、SO2和NOx等煙氣，這些氣體通過除塵、脫硫、脫硝等裝置之后進(jìn)入到煙囪，并排放到空氣中[12]。通過上述火電廠工作流程可知，火電廠的CO2排放源主要包括：1）煤炭、天然氣等化石燃料燃燒所產(chǎn)生的CO2；2）化石燃料處理和儲存過程中(如煤炭的加工、儲存、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié))排放的CO2；3）脫硫、脫硝裝置及除塵裝置等技術(shù)設(shè)備消耗能源所產(chǎn)生的CO2。在采用監(jiān)測法對火電廠CO2排放進(jìn)行核算時(shí)，火電廠凈購入電力產(chǎn)生的CO2排放無法通過監(jiān)測進(jìn)行計(jì)量，可采用式(4)進(jìn)行核算。

目前，IPCC清單將溫室氣體排放方式分為固定源排放、移動(dòng)源排放和逸散排放3種。固定源排放指大氣污染物從煙道、煙囪及排氣筒等固定排放口有規(guī)律地排放到大氣中，排放源是固定集中的，以固定源排放的CO2多是火電廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙囪煙氣。移動(dòng)源排放指火電廠擁有或租憑的所有車輛產(chǎn)生的CO2排放，屬于火電廠本身的直接排放。逸散排放指火電廠化石燃料工藝工程中CO2有意或無意釋放的排放，為火電廠直接碳排放。無組織排放處于移動(dòng)源排放與逸散排放之間，在火電廠碳排放量中，無組織排放占比為30%~50%，不可忽略。本文將無組織排放定義為火電廠工藝過程中無組織、間歇式且不經(jīng)過排氣筒的無規(guī)則排放，包括因火電廠生產(chǎn)過程無密閉設(shè)備和工藝原料密封不當(dāng)所導(dǎo)致的CO2排放。

2.2 火電廠固定源CO2排放監(jiān)測技術(shù)

火電廠固定源CO2排放有很強(qiáng)的時(shí)空分布特性，排放源固定集中且源強(qiáng)較容易確定?；痣姀S固定源廢氣排放監(jiān)測采用煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(continuous emission monitoring system，CEMS)實(shí)時(shí)監(jiān)測廢氣排放。CEMS系統(tǒng)通過直接測量煙氣的流量、溫度、濕度等參數(shù)，從而計(jì)算排放煙氣(如SO2、NOx等)的排放總量及濃度。在CEMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上安裝CO2濃度監(jiān)測模塊，即可完成固定源CO2排放監(jiān)測，即CO2排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CO2-CEMS)，該系統(tǒng)由CO2濃度監(jiān)測模塊、煙氣參數(shù)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)傳輸及處理模塊等組成[13]，流程如圖1所示。

圖1 CO2-CEMS系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of CO2-CEMS system

CO2-CEMS系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測電力行業(yè)固定排放源煙氣中CO2濃度及流量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、傳輸及處理，將結(jié)果反饋至主管部門，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測報(bào)警。

CO2-CEMS系統(tǒng)取樣方式分為原位式采樣法、完全抽取式采樣法及稀釋抽樣法。原位式采樣法直接將檢測裝置安裝在發(fā)電機(jī)組煙道處進(jìn)行采樣與分析，采樣數(shù)據(jù)精度較高，但要求檢測裝置耐用，成本較高。完全抽取式采樣法需要采樣探頭把煙氣從煙道抽取出來，將氣體數(shù)據(jù)傳遞至氣體分析儀中，解決了煙氣擾動(dòng)的問題，其成本相對原位式采樣法較低，但煙氣采樣量較大，采樣管易堵塞，氧氣在傳遞過程中易被稀釋，導(dǎo)致準(zhǔn)確性不高[14]。稀釋抽樣法按一定比例對煙氣進(jìn)行稀釋測量，需要干凈干燥的空氣進(jìn)行稀釋取樣，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單，稀釋比穩(wěn)定，精度高，但響應(yīng)時(shí)間稍長，要求稀釋空氣純度高，成本較高[15]?；痣姀S固定源CO2排放監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)是保證CO2-CEMS系統(tǒng)監(jiān)測的準(zhǔn)確性，由于CO2-CEMS系統(tǒng)長期工作在高溫、高塵的惡劣環(huán)境下，系統(tǒng)需具有高適應(yīng)性，以保證監(jiān)測性能較穩(wěn)定。3種取樣方式各有優(yōu)劣，需根據(jù)不同領(lǐng)域和不同污染物進(jìn)行不同分析，選擇最適用的采樣方法，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度。但國內(nèi)煙塵排放超標(biāo)濃度約為歐美等國家的4倍，若采用完全抽取式采樣法與原位式采樣法，則運(yùn)行時(shí)間過長，如果未及時(shí)維護(hù)，將發(fā)生采樣管堵塞等狀況，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，目前國內(nèi)多采用稀釋抽樣法進(jìn)行采樣。

21世紀(jì)以來，歐美等發(fā)達(dá)國家首先對CO2排放監(jiān)測技術(shù)展開研究，針對監(jiān)測設(shè)備氣體辨識度低、測試精度低，CO2排放量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、處理困難、準(zhǔn)確性不高等問題逐一進(jìn)行攻克。制度方面，歐美從2005年開始制定火電行業(yè)CO2監(jiān)測范圍與方法，在發(fā)展過程中制定并實(shí)施了《溫室氣體排放核算與報(bào)告指南》《監(jiān)測及報(bào)告條例》等法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系[14]，保證了火電行業(yè)CO2監(jiān)測質(zhì)量。美國從2010年起已強(qiáng)制要求電力行業(yè)排放源安裝CEMS系統(tǒng)，歐美CEMS系統(tǒng)在CO2監(jiān)測領(lǐng)域已具有較成熟的政策和技術(shù)應(yīng)用體系[16]。美國頒布了《酸雨計(jì)劃》等法律法規(guī)作為判定火電行業(yè)CO2排放監(jiān)測體系是否具有實(shí)效性的法律依據(jù)，并制定CO2監(jiān)測的主要措施及指標(biāo)。通過現(xiàn)場審核與年度CO2排放報(bào)告審核，保證達(dá)到監(jiān)測質(zhì)量要求，且美國已經(jīng)將CO2-CEMS系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用于碳市場交易[17]。為驗(yàn)證CO2-CEMS系統(tǒng)監(jiān)測固定源CO2排放的準(zhǔn)確性，歐美研究者對多個(gè)安裝CO2-CEMS系統(tǒng)的火電廠進(jìn)行分析，對比了CEMS監(jiān)測法和核算法監(jiān)測結(jié)果，從整體上來看，2種方法得到的CO2排放數(shù)據(jù)差異在3%以內(nèi)，但個(gè)體排放量差異較大，有50%的電廠排放數(shù)據(jù)差異超過5%，甚至有20%的電廠排放數(shù)據(jù)差異超過10%[18-20]。盡管氣體檢測技術(shù)不斷發(fā)展，但由于CEMS系統(tǒng)長期工作在高溫、高濕的惡劣環(huán)境中，必須保證CEMS適應(yīng)性的問題。為提高CEMS系統(tǒng)監(jiān)測的準(zhǔn)確性，文獻(xiàn)[21]研究了CEMS系統(tǒng)在不同條件下的采樣損耗，提出通過數(shù)值求解采樣線的粒子運(yùn)輸方程，獲得煙氣顆粒在不同條件下的沉積速度，為提高采樣的準(zhǔn)確性提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[22]提出了一種將CEMS系統(tǒng)的連續(xù)測量分析儀與預(yù)測確定值耦合的方法，優(yōu)化CEMS系統(tǒng)橋接停機(jī)時(shí)間及改善監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

從國內(nèi)來看，近幾年國家頒布了一系列有關(guān)固定污染源CEMS系統(tǒng)的技術(shù)要求及檢測方法，并出臺了相應(yīng)的法律法規(guī)[23-24]，如表1所示。雖然CEMS系統(tǒng)已經(jīng)成熟應(yīng)用在國內(nèi)火電廠，但大部分CEMS系統(tǒng)并沒有安裝碳監(jiān)測模塊。我國固定源CO2排放監(jiān)測技術(shù)相對歐美等發(fā)達(dá)國家起步較晚，目前我國火電廠仍遵循以碳核算為主、監(jiān)測為輔的原則，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)為核算數(shù)據(jù)提供可靠的支撐。火電廠CO2排放計(jì)量包括電廠各機(jī)組燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放，以及通過數(shù)據(jù)管理和專家分析得出的外購電力產(chǎn)生的CO2排放。最終，這些數(shù)據(jù)將被提交給第三方碳排放檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行碳核查。隨著上述技術(shù)規(guī)范和政策的發(fā)布，相應(yīng)運(yùn)行管理制度與質(zhì)量保證體系的建立，會(huì)逐漸保證我國火電廠固定源CO2監(jiān)測可靠性。華南理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[25]針對發(fā)電側(cè)固定源CO2排放問題，研發(fā)了一套具有自主產(chǎn)權(quán)的火電廠CO2監(jiān)測系統(tǒng)，并已應(yīng)用在320 MW熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)，通過對比監(jiān)測法與核算法發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測法相較于核算法計(jì)算結(jié)果低5%~30%；該團(tuán)隊(duì)從流量、濕度等方面對監(jiān)測法數(shù)據(jù)誤差進(jìn)行分析，雖然二者在測量誤差的不確定范圍之內(nèi)，但現(xiàn)有監(jiān)測法還是不夠準(zhǔn)確。

表1 涉及國內(nèi)固定污染源排放監(jiān)測技術(shù)規(guī)范Tab.1 Technical specifications for emission monitoring of domestic fixed pollution sources

西門子公司研發(fā)的CEMS系統(tǒng)已得到廣泛認(rèn)可，該系統(tǒng)針對固定源煙氣中氣體物質(zhì)、溫度、流速等進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)煙氣排放物的量化控制。該系統(tǒng)包括西門子ULTTRAMAT 23多組分氣體分析儀、LDS 6激光氣體分析儀，以及紅外/紫外氣體分析系統(tǒng)取樣與預(yù)處理單元。取樣采用直插式原位測量與抽取式分析相結(jié)合的方式，且采用防腐設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)長期可靠運(yùn)行。德國SICK公司研發(fā)PowerCEMS100等一系列煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)，基于抽取式采樣法對樣氣進(jìn)行檢測，產(chǎn)品將電氣裝置和分析部件明確分離，易于維護(hù)。國內(nèi)麥越環(huán)境研發(fā)的M-3000C系列污染源煙氣碳排放在線監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測CO2及CH4的排放量，CO2量程為0~25%，且通信接口及通信協(xié)議都滿足政府要求。

2.3 火電廠無組織CO2排放監(jiān)測技術(shù)

無組織排放是大氣污染物不經(jīng)過排氣筒(煙囪)的無規(guī)則排放，包括露天開放式環(huán)境中排放的污染源[26]。針對火電廠各復(fù)雜多元生產(chǎn)職能區(qū)域，由于火電廠工藝流程中鍋爐等原料燃燒裝置無法做到完全密封，空氣污染物可以通過非煙囪途徑泄漏到周圍環(huán)境中，同時(shí)燃料在加工、儲存、運(yùn)送的過程中有意或者無意與空氣發(fā)生反應(yīng)，釋放CO2，因此無組織排放是不可避免的?；痣姀S不同的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和工藝流程也會(huì)形成不同的無組織排放源，主要包括煤炭、天然氣等化石燃料儲存、運(yùn)輸、制備系統(tǒng)及脫硝過程等。

火電廠除各機(jī)組燃料燃燒排放之外，在燃料儲存、運(yùn)輸、制備系統(tǒng)及脫硝過程等也會(huì)釋放CO2。這種排放是間歇式、無組織，不經(jīng)過排氣筒，并不能通過CO2-CEMS系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，故多采用CO2核算量化CO2排放量，但存在時(shí)效性較為滯后、數(shù)據(jù)收集效率低等問題。而CO2-CEMS系統(tǒng)不能保證火電廠CO2監(jiān)測技術(shù)區(qū)域全覆蓋性、監(jiān)測準(zhǔn)確性，同時(shí)無法滿足火電廠實(shí)時(shí)碳交易。文獻(xiàn)[27]提出用一種改進(jìn)的碳平衡法量化磚窯煙道和無組織排放源的碳排放因子，從而核算磚窯固定源CO2排放量及無組織CO2排放量，結(jié)果表明，無組織排放的碳排放因子遠(yuǎn)高于固定源。國內(nèi)外針對火電廠無組織CO2排放監(jiān)測研究較少，由于無組織排放具有排放點(diǎn)廣、難以量化和管理困難等特點(diǎn)，且無組織排放源種類繁多[28]，火電廠產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)受氣候環(huán)境因素的影響，CO2的擴(kuò)散和稀釋取決于大氣的運(yùn)動(dòng)狀況，在不同氣象條件下，同一排放源對同一地點(diǎn)的CO2濃度可能相差數(shù)十倍，其排放量不易確定，監(jiān)測難度大[29]。另外，無組織CO2排放具有很強(qiáng)的時(shí)空分布特性[30]。火電廠開放式區(qū)域無組織CO2排放監(jiān)測的重難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)被監(jiān)測對象的區(qū)域全覆蓋性、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性以及監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

目前，無組織排放監(jiān)測方式分為點(diǎn)、線、面3種，均可應(yīng)用在火電廠CO2監(jiān)測中。點(diǎn)監(jiān)測是直接對火電廠無組織排放范圍中某個(gè)濃度點(diǎn)進(jìn)行采樣分析。點(diǎn)監(jiān)測技術(shù)操作簡單，應(yīng)用廣泛，但覆蓋空間有限，時(shí)效性較差，不能滿足火電廠CO2濃度長時(shí)空變化，只能用于氣象環(huán)境穩(wěn)態(tài)的常規(guī)監(jiān)測[31]。線監(jiān)測是利用紅外光譜分析儀等設(shè)備對直線上最遠(yuǎn)1 km距離進(jìn)行監(jiān)測。與點(diǎn)監(jiān)測技術(shù)相比，線監(jiān)測技術(shù)時(shí)效性較好，時(shí)空覆蓋率較高，但分辨能力較低，識別的物質(zhì)較少[32]。面監(jiān)測結(jié)合風(fēng)向、風(fēng)速與遙感技術(shù)融合驅(qū)動(dòng)，對直徑1 km以內(nèi)的空間進(jìn)行監(jiān)測。面監(jiān)測技術(shù)覆蓋范圍大，無法進(jìn)行組分定性分析，不適合長期在線監(jiān)測[33]。在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用多種監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)無組織排放監(jiān)測的全覆蓋性及準(zhǔn)確性。

歐美對石化行業(yè)等揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds，VOCs)無組織排放監(jiān)測制定了一系列監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)方法，規(guī)范了企業(yè)工藝生產(chǎn)區(qū)域排放標(biāo)準(zhǔn)[34-35]，但對CO2無組織排放監(jiān)測并沒有制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[36]基于Voronoi算法，利用環(huán)境地理位置、設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸量等信息作為約束條件，以最高碳負(fù)荷為中心，在高濃度區(qū)域展開獨(dú)立點(diǎn)監(jiān)測的三角劃分規(guī)則，或者采用點(diǎn)、面監(jiān)測相結(jié)合的圓形劃分規(guī)則；通過應(yīng)用氣體擴(kuò)散模型預(yù)測點(diǎn)源的最大濃度點(diǎn)，并據(jù)此進(jìn)行布點(diǎn)；最后，利用Voronoi算法驗(yàn)證所選擇布點(diǎn)的合理性，如圖2所示。圖中：連續(xù)監(jiān)測及流量監(jiān)測是指固定碳排放源實(shí)時(shí)監(jiān)測(CEMS系統(tǒng))；廠界監(jiān)測是指火電廠監(jiān)測區(qū)域定義及監(jiān)測邊界界定，確定測量范圍；廠區(qū)監(jiān)測是指火電廠無組織排放監(jiān)測；主導(dǎo)方向是指無組織排放監(jiān)測與固定源排放監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)交互；高低濃度排放區(qū)是指通過火電廠生產(chǎn)工藝、功能分布不同及高斯分散模型，劃分高低濃度排放區(qū)。

圖2 火電廠CO2無組織排放監(jiān)測示意圖Fig.2 Schematic diagram of carbon fugitive emission monitoring in thermal power plant

文獻(xiàn)[37]針對無組織排放點(diǎn)、線、面3種監(jiān)測方式，綜述了各監(jiān)測方式的主要問題與技術(shù)難點(diǎn)。文獻(xiàn)[38]利用點(diǎn)、線監(jiān)測的大氣層析成像技術(shù)和開放路徑的傅立葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR) CO2傳 感器，對澳大利亞某實(shí)驗(yàn)站的CO2排放進(jìn)行量化，并根據(jù)高斯煙羽模型的水平方向濃度分布進(jìn)行擬合，從而提高監(jiān)測的精確度。文獻(xiàn)[39-41]研究指出，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)對排放源的位置和強(qiáng)度進(jìn)行估計(jì)存在不可靠性，為此，提出了一種結(jié)合貝葉斯反演和大氣層析成像技術(shù)的方法，用于量化CO2無組織排放強(qiáng)度并確定點(diǎn)源位置，研究結(jié)果表明，在適宜的風(fēng)向下，所獲取的數(shù)據(jù)是可靠的，但仍需對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步校準(zhǔn)以提高其精度。

目前，國內(nèi)對無組織排放監(jiān)測研究較少，相關(guān)技術(shù)規(guī)范匱乏。不同于固定源排放監(jiān)測，近20年來無組織排放監(jiān)測研究進(jìn)展比較緩慢。部分企業(yè)及研究單位只是小范圍進(jìn)行監(jiān)測，并沒有形成監(jiān)測體系、規(guī)范技術(shù)與運(yùn)行管理制度。其原因主要是：各行業(yè)生產(chǎn)工藝及功能分布不同，無組織排放源種類繁多，存在監(jiān)測邊界不確定等因素。在火電廠實(shí)際監(jiān)測工作中，監(jiān)測環(huán)境對火電廠無組織排放監(jiān)測布點(diǎn)的影響較大，需要對具體問題進(jìn)行具體分析。在《大氣污染物無組織排放監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》(HJ/T 55—2000)中規(guī)定了監(jiān)測的適宜條件及初始監(jiān)測點(diǎn)位設(shè)置準(zhǔn)則，如表2所示。

表2 各氣象因子適宜程度分類Tab.2 Classification of suitability of meteorological factors

國內(nèi)外無組織排放監(jiān)測對象基本為VOCs，并取得了一定進(jìn)展。文獻(xiàn)[42]對煉油企業(yè)VOCs無組織排放監(jiān)測現(xiàn)狀與發(fā)展情況進(jìn)行了綜述，總結(jié)了各類VOCs無組織排放量監(jiān)測技術(shù)原理及適用范圍。我國頒布了《揮發(fā)性有機(jī)物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 37822—2019)等一系列標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了廠區(qū)VOCs監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，為火電廠無組織CO2排放監(jiān)測提供了良好的技術(shù)參考?；痣姀S無組織排放監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用重難點(diǎn)概括如下：

1）由于火電廠廠房廠區(qū)數(shù)量較多，需考慮在局部流場、渦流情況下監(jiān)控點(diǎn)的布設(shè)方法，同時(shí)布點(diǎn)位置易受到外部環(huán)境的影響，需在適宜的條件下進(jìn)行監(jiān)測。

2）地理環(huán)境作為不可抗力，會(huì)嚴(yán)重影響信息交互，火電廠大多建在農(nóng)村或偏遠(yuǎn)山區(qū)，易受到網(wǎng)絡(luò)覆蓋限制。由于監(jiān)控設(shè)備需要在不考慮位置的情況下通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)需采用全覆蓋通信技術(shù)。

3）火電廠監(jiān)測規(guī)模較大，CO2檢測數(shù)據(jù)吞吐量較大，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)不能滿足數(shù)據(jù)信息傳輸高效、高質(zhì)要求，需研究一種數(shù)據(jù)分布服務(wù)的CO2濃度檢測裝置，保證數(shù)據(jù)有效、信息可靠。

4）監(jiān)控點(diǎn)設(shè)備長期在野外運(yùn)行，頻繁更換或調(diào)試支持設(shè)備運(yùn)行的動(dòng)力源，會(huì)導(dǎo)致人為干擾因素較大，影響監(jiān)測精度，需要完備的電力支持網(wǎng)絡(luò)來保證監(jiān)測信息可靠。

5）相關(guān)無組織排放監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及方法尚未成熟，難以保證CO2排放數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，連續(xù)監(jiān)測設(shè)備對企業(yè)硬件一次性投入有要求，同時(shí)對企業(yè)整體管理及人員水平要求較高，數(shù)據(jù)主要通過采集獲得，缺少臺賬。

3 火電廠CO2計(jì)量技術(shù)發(fā)展方向

目前，火電廠CO2計(jì)量方法以核算為主、監(jiān)測為輔?；痣姀SCO2排放監(jiān)測技術(shù)既是現(xiàn)有CO2計(jì)量技術(shù)的升級與拓展，又是未來計(jì)量火電廠CO2排放量的重要組成部分。該技術(shù)已逐漸被應(yīng)用在復(fù)雜工業(yè)園區(qū)，與CO2核算技術(shù)交織融合。雖然火電廠固定源排放已形成成熟的監(jiān)測技術(shù)，但隨著CO2監(jiān)測全覆蓋性要求提高，對火電廠無組織排放監(jiān)測需求逐漸增加，這些監(jiān)測數(shù)據(jù)最終將接入碳交易市場。

3.1 火電廠CO2核算技術(shù)發(fā)展方向

針對核算方法，一些火電廠，特別是年代久遠(yuǎn)的火電廠，可能存在收集燃料排放因子、產(chǎn)品含碳總量等數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、不全面的問題，導(dǎo)致核算結(jié)果準(zhǔn)確度不高，同時(shí)火電廠核算時(shí)效性較差，無法滿足即時(shí)碳交易需要。隨著能源轉(zhuǎn)型的推進(jìn)，火電廠需要改變傳統(tǒng)的以整個(gè)廠區(qū)為獨(dú)立個(gè)體核算方式，如何對火電廠不同設(shè)備、系統(tǒng)和工藝等進(jìn)行獨(dú)立核算，以便得到更精確的CO2排放量，是未來CO2核算技術(shù)的主要研究方向之一。

3.2 火電廠CO2監(jiān)測技術(shù)發(fā)展方向

固定源排放監(jiān)測CO2-CEMS系統(tǒng)雖然已相對成熟，但還存在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性低、監(jiān)測系統(tǒng)與CEMS耦合二次開發(fā)成本高等問題，需開發(fā)更簡易、更精確的傳感裝置，使CEMS系統(tǒng)更易于安裝及操作，以獲得更準(zhǔn)確的排放數(shù)據(jù)，這可以作為CO2-CEMS系統(tǒng)開發(fā)的重要研究方向之一。CO2-CEMS系統(tǒng)長期工作在高溫、高煙的惡劣環(huán)境下，為了確保系統(tǒng)能夠在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，需要部署能適應(yīng)高溫環(huán)境的封裝和保護(hù)措施，同時(shí)研制耐高溫、低成本的CO2濃度監(jiān)測裝置，以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這也是未來CO2-CEMS系統(tǒng)開發(fā)的重要研究方向之一。

火電廠無組織排放監(jiān)測需考慮排放源擴(kuò)散情況，在外部環(huán)境影響下，火電廠CO2負(fù)荷場的建立主要依靠火電廠CO2濃度和流量2個(gè)數(shù)據(jù)，如何獲取可靠的數(shù)據(jù)來源是建立火電廠CO2負(fù)荷場的前提，也是未來研究火電廠無組織排放監(jiān)測布點(diǎn)的前提。無組織排放監(jiān)測布點(diǎn)規(guī)則雖然在《大氣污染物無組織排放監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》(HJ/T 55—2000)有明確的規(guī)定，但需要針對具體場景進(jìn)行具體分析，且只考慮了平面(即橫縱坐標(biāo)方向)的布點(diǎn)方案，并未考慮在空間上的可操作性。考慮到火電廠無組織排放布點(diǎn)算法創(chuàng)新性較高，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，未來可以火電廠CO2負(fù)荷場式布點(diǎn)方案為主。實(shí)時(shí)監(jiān)測前需要火電廠外部環(huán)境信息，如地理位置、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等信息，氣象條件的測量與判定作為火電廠無組織排放布點(diǎn)算法的關(guān)鍵判定依據(jù)，最好能夠獲取實(shí)時(shí)監(jiān)測的有效信息。針對特定監(jiān)測項(xiàng)目，統(tǒng)計(jì)及分析適宜監(jiān)測的外部環(huán)境條件也是未來重要研究方向。

火電廠CO2監(jiān)測規(guī)模較大，CO2排放數(shù)據(jù)量較多，要保證CO2監(jiān)測信息交互及時(shí)。無論是火電廠固定源排放監(jiān)測，還是火電廠無組織排放監(jiān)測，監(jiān)控點(diǎn)都較多，CO2濃度、流量等數(shù)據(jù)要確保具有時(shí)效性，以時(shí)間為基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交互傳遞要求網(wǎng)絡(luò)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲功能，保證監(jiān)測所得數(shù)據(jù)有效。同時(shí)，在檢測裝置長期運(yùn)行過程中，不易頻繁更換或調(diào)試支持設(shè)備運(yùn)行的動(dòng)力源。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)電力故障或電力不足時(shí)，電力支持網(wǎng)絡(luò)能夠及時(shí)獲得信息，準(zhǔn)確定位并解決故障問題。研制基于數(shù)據(jù)分布服務(wù)與電力支持網(wǎng)絡(luò)的CO2濃度檢測裝置是一個(gè)重要研究方向。

鑒于碳監(jiān)測對于測量范圍、精度等指標(biāo)具體要求還處于模糊期，目前CO2測量裝置研發(fā)可以從量程、精度、價(jià)格3個(gè)指標(biāo)考慮。通過對吸收光譜技術(shù)的初步梳理，火電廠CO2監(jiān)測裝置多采用非分散紅外檢測技術(shù)(non-dispersive infrared,NDIR)進(jìn)行研發(fā)，NDIR具有量程寬、測量種類多、價(jià)格低等優(yōu)勢，針對精度不足的問題，可以通過采取增加光程、溫濕度補(bǔ)償以及數(shù)字鎖相放大器等技術(shù)提高測量精度?；痣姀S固定源CO2監(jiān)測裝置是CO2-CEMS系統(tǒng)的重要組成部分，需考慮傳感器的設(shè)備運(yùn)維成本、精度等因素，未來研制更高精度、更簡化的監(jiān)測裝置是主流研究方向。無組織排放通常分布在開放式區(qū)域中，在火電廠較為分散。因此，無組織排放監(jiān)測裝置更需要考慮監(jiān)測精度，還需要考慮每臺監(jiān)測裝置覆蓋范圍的問題，這是未來無組織排放監(jiān)測裝置研究方向之一。同時(shí)，火電廠無組織排放監(jiān)測設(shè)備在大范圍內(nèi)進(jìn)行，多臺設(shè)備成本較高，對于火電廠并沒有經(jīng)濟(jì)效益，如何降低無組織排放監(jiān)測成本也是未來裝置研制的方向之一。火電廠無組織排放監(jiān)測設(shè)備除考慮上述因素外，還需考慮設(shè)備間實(shí)時(shí)互聯(lián)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享等因素。

火電廠CO2計(jì)量技術(shù)是可監(jiān)測、可報(bào)告、可核查(monitoring, reporting and verification，MRV)體系的一種。MRV是溫室氣體控制和減排量化的基本條件，是火電廠碳交易體系實(shí)施的基礎(chǔ)。通過建設(shè)火電廠MRV體系，能夠進(jìn)行火電廠CO2排放信息數(shù)據(jù)審定、核查、核證等業(yè)務(wù)，保證碳交易市場公開和透明化，確保CO2計(jì)量數(shù)據(jù)有效，可用于后期核查。我國處于MRV體系建設(shè)及運(yùn)行起步階段，目前方法體系不夠完善，如何基于CO2計(jì)量技術(shù)提高M(jìn)RV體系數(shù)據(jù)的采信度、認(rèn)可度，增加碳市場可信度，也是未來重要研究方向。

4 結(jié)論

從核算與監(jiān)測2種途徑對火電廠CO2計(jì)量技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，對該技術(shù)應(yīng)用的重難點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對未來發(fā)展方向和改進(jìn)空間進(jìn)行探討。在今后的發(fā)展過程中，火電廠CO2計(jì)量技術(shù)在各設(shè)備獨(dú)立進(jìn)行CO2核算、研制能適應(yīng)惡劣環(huán)境的CO2監(jiān)測裝置、火電廠無組織排放CO2監(jiān)測的布點(diǎn)及算法、高低濃度邊界界定、外部環(huán)境信息交互等方面仍有很大的研究空間。另外，如何將火電廠CO2計(jì)量技術(shù)與碳交易市場接軌也是重要研究方向。