1、第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition）Vol.51 No.6June 2023火电企业碳排放在线监测技术研究进展姚顺春1，2 支嘉琦1 付金杯3 李峥辉1 卢志民1，2 卓俊玲3（1.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640；2.广东省能源高效低污染转化与工程技术研究中心，广东 广州 510640；3.生态环境部环境工程评估中心，北京 100012）摘要：2021年我国全国碳市场正式开市
2、，发电行业被首先纳入全国统一碳排放权交易市场。在此背景下，准确、客观、实时且具有公信力的碳排放数据是碳交易市场高效运行的重要基础。核算法和在线监测法是目前国际上常用的两种碳排放计量方法。针对两种方法，首先分别综述了其优缺点。核算法是我国的通用方法，具有适用范围广、有统一核算标准的优点，但存在处理过程复杂、时效性差、采样等过程易受人为因素影响等问题。在线监测法因具有时效性好、自动化程度高、数据不受人为因素影响等优点而受到了广泛的关注。但目前在线监测法在国内的推广应用依然存在很多问题：缺乏相应的支撑体系；在线监测法的数据质量尚不能保证，与核算法的可比性也存在争议，而影响其数据质量的最大因素是CO2
3、浓度监测技术和烟气流量监测技术；烟气流量监测的准确性还有待研究。然后针对在线监测法的数据质量提高及评估方法进行分析总结，认为电厂中CO2浓度检测精度可达到较好的水平，而烟气流量监测精确度尚未达成统一结论，其监测技术、测点布置都会影响其现场应用，研制具备自主知识产权、适用范围广、精度高的烟道流量计对我国的准确碳核查事业来说势在必行。针对在线监测数据质量评估则可采用不确定度进行量化。最后提出以下建议：设立不同碳排放在线监测试点，选取不同类型及容量的机组分别研究，根据现场具体条件在其中安装不同的流量计用以对比分析，研究更适用的流量计类型及现场测点布置；建立碳排放在线监测不确定度分析模型，量化分析其中
4、引入较大不确定度的因素，完善数据评价体系；构建碳排放在线监测数据与核查数据的综合对比体系，若在碳市场中在线监测方法与核算法并存，则要确保不同数据的一致性，保障碳市场的公平性；尽快建立碳排放连续在线监测系统的配套机制，建立相应的国家标准，确保报告数据有据可依。关键词：火力发电厂；二氧化碳；烟气排放；在线监测；气体流量中图分类号：X51文章编号：1000-565X（2023）06-0097-12随着社会和经济的快速发展，人类活动对环境造成的影响也愈发明显，其中以CO2为主的温室气体的大量排放引起的温室效应是目前影响范围最广的环境问题，对人类的生存造成了严重威胁。为应doi：10.12141/j.i
5、ssn.1000-565X.220731收稿日期：20221103基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFE0109700）Foundation item：Supported by the National Key Research&Development Program of China（2019YFE0109700）作者简介：姚顺春（1983-），男，教授，博士生导师，主要从事能源低碳转化过程的智能感知和调控研究。E-mail：通信作者：卓俊玲（1973-），女，高级工程师，主要从事生态环境执法研究。E-mail：第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）对气候变
6、化，世界各国对减少碳排放达成一致共识，并出台一系列减排政策，其中碳排放权交易机制是世界各国应用较为广泛的碳减排手段1。中国作为负责任的大国，一直积极承担着减排任务。自2013年开始，我国在北京、广东、湖北等7个省市陆续开展碳交易市场的试点。我国始终在积极探寻绿色低碳的发展路线。在此目标下，碳交易市场作为重要控排手段而越来越受到重视。当前，我国碳排放仍然处在“总量高、增量高”的阶段，其中电力是最主要的碳排放行业。2021年7月16日全国碳市场正式开市，电力行业是我国第一批纳入全国碳市场的重点行业。准确、客观、实时且具有公信力的碳排放数据是碳交易市场高效运行的重要基础，也是国际互查、企业低碳生产管
7、理以及实现“碳达峰、碳中和”目标愿景的核心保障。目前，我国碳核查的通用方法为核算法。2022年，生态环境部发布了企业温室气体排放核算方法与报告指南 发电设施（2022年修订版），其中规定了利用核算法进行碳核查的具体流程与方法。该指南的出台确保了碳核查及碳交易的公平统一，但同时核算法还存在以下局限性：核查环节易受人为因素影响；需要频繁处理多个不同来源的原始数据；固体燃料特性复杂多变，采样代表性不足以及燃料特性分析的误差会造成核算结果不准确；时效性较差。现行核查法是基于第三方核查机构，对纳入碳市场企业的上一年度碳排放量进行核查，从而服务于碳交易市场。数据的时效性较差，使企业人员无法及时调整生产运行
8、状态，从而无法为清洁低碳生产提供支持。此外，国际上还存在基于排放端的在线监测法。在线监测设备安装在排放源后，通过采集烟气浓度、体积流量等数据获得碳排放总量。Sur等2详细分析总结了中国碳市场的结构及碳排放监测方法现状，他们认为尽管目前核算法更普适于中国电厂，但在线监测法依旧颇具前景。在线监测法具有的优点如下：其数据采集的自动化程度较高，可以自动上传系统，保证数据真实性；数据分析处理简单，节省人力；无需区分燃料类型，较好地适配于我国大部分电厂燃煤掺配混烧的现实情况；时效性好，可以实现分钟级的监测。为实现“双碳目标”，我国电力行业未来预计将纳入更多清洁能源，为保障电力供应的稳定性，火电厂则要更多承
9、担起深度调峰责任，利用在线监测法则可以更好地监测碳排放和企业生产运行之间的关联特性，为低碳生产优化和电力调度提供重要的数据基础。2020年6月，生态环境部公布的生态环境监测规划纲要（20202035年）3提出遵循“核算为主、监测为辅”的原则。生态环境部于2021年1月印发的关于统筹和加强应对气候变化与生态环境保护相关工作的指导意见指出，要推动监测体系统筹融合，加强温室气体监测。2021年9月，生态环境部聚焦重点行业、城市和区域启动监测评估试点，发现对火电行业等排放相对集中的企业在线监测效果较好。2022年5月，生态环境部提出，我国将扩大火电行业碳监测试点范围，进一步完善碳监测业务技术体系。由此
10、可见火电企业碳排放在线监测的推广应用势在必行。然而，在全国推广应用碳排放在线监测系统，还需要对其存在的监测技术和数据质量等一系列问题进行研究和探讨。本文针对火电企业碳排放在线监测目前存在的问题，首先阐述了连续在线监测的技术原理，其次对CO2浓度监测、烟气流量监测和流量软测量的技术应用和适用条件进行分析说明，继而对在线监测数据质量评估方法进行总结，最后提出扩大碳排放在线监测试点应用、建立不确定度分析模型及建立统一标准的建议，期望推动在线监测法在全国碳监测领域的大规模应用。1碳排放在线监测技术1.1在线监测技术原理在线监测法的基本原理是通过对尾部烟道的CO2浓度、烟气流速、温度及压力等参数进行在线
11、监测，来计算总的碳排放速率，其计算公式为M=PctVs(1-w)44RT(CO2)10-3（1）式中：M为碳排放速率，kg/h；Pct为烟气压力，Pa；Vs为烟气体积流量，Nm3/h；w为烟气湿度，%；R为标准摩尔气体常数，8.314 J/（mol K）；T为烟气温度，K；（CO2）为烟气中CO2体积分数，%。其中，最为关键的两个参数是碳浓度和烟气流量 4。1.2CO2浓度检测技术气体检测技术众多.20世纪70年代普遍采用化学检测技术，如气相色谱检测技术，已广泛应用于天然气组分在线实时检测、大气温室气体浓度监测等领域，电厂中常用该技术进行变压器故障监测，但因其系统复杂、维护量大等原因，在电厂碳
12、排放连续在线监测领域难以应用5。光学检测技术因其高灵敏性、探测目标广的特点被广泛重视和研98第 6 期姚顺春 等：火电企业碳排放在线监测技术研究进展究。常见光学检测技术主要有差分光学吸收光谱技术（DOAS）、傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）、非分散红外检测法（NDIR）、可调谐半导体激光吸收光 谱 技 术（TDLAS）和 差 分 吸 收 激 光 雷 达 技 术（DIAL）等。其中DIAL技术多用于大气环境气体监测，因其系统复杂、成本高昂不适用于烟道环境监测，所以在此节不作过多介绍。1.2.1差分吸收光谱差分吸收光谱始于20世纪70年代6，主要利用气体分子具有的窄带吸收特性，来反演待测气体浓度
13、。DOAS主要应用在紫外和可见波段，其技术的优势在于测量为非接触式，设备相对简单，且能够实现对烟道内多种气体的同时监测。但其操作相对困难，对外部环境要求较高，且需根据气体种类找出最佳光程及最优波段7。也有学者将DOAS技术扩展到了CO2所在的红外光谱区，并提出了参数反演算法8。此后，诸多学者基于DOAS开展了CO2浓度检测研究。Wallin等9 认为DOAS系统可以监测从紫外到红外波段的多种气体浓度，适用于普通固定污染源和垃圾焚烧厂的烟气排放连续监测。王汝雯10 基于权重函数修正的DOAS技术（WFM-DOAS）设计了地基红外遥测系统，可获得燃煤电厂等点源排放的CO2、CH4等气体的二维分布信
14、息和通量信息。目前，国内学者针对DOAS的研究仍多集中于紫外波段，对其红外光谱区的应用还有待深入探讨。1.2.2傅里叶变换红外光谱傅里叶变换红外光谱法（FTIR）是一种对干涉函数做傅里叶变换得到测量待测气体分子红外光谱的方法，是气体浓度检测的一种较为理想的手段。FTIR具有分辨率高、灵敏度高、量程范围宽和测量气体种类多等优势。其缺点是系统体积大、成本高，且响应时间较长。同时仪器对工作环境的湿度较为敏感，因此在烟道环境中使用易产生误差。李相贤等11改进了傅里叶变换红外分析仪以实现温室气体及CO2碳同位素比值的多组分、高精度、连续自动测量，分析仪对CO2和13CO2的测量标准偏差分别为0.2391
15、0-6和0.572%。Esler等12基于傅里叶变换红外光谱技术对大气中的CO、CO2、CH4和N2O进行了探测。盛润坤等13提出了一种基于FTIR和紫外差分吸收光谱（UV-DOAS）联用技术的烟气在线监测系统，可同时测量NO、NO2、SO2、CH4、CO2和CO等多种气体，结果显示测量技术零点漂移小于2%F.S.。高明亮14搭建了基于FTIR技术气体定量分析的实验系统，对CO、CO2、NO、NO2、SO2等8种组分进行检测，通过偏最小二乘（PLS）回归模型成功对气体进出预测，精度达满量程的2%。目前FTIR技术在实验室测量中达到了较好的效果，其在火电企业等现场环境下的应用效果还需进一步的验证
16、。1.2.3非分散红外光谱非分散红外检测法（NDIR）基本原理是基于气体分子对红外线的选择吸收性，将红外光源的连续光照射到被测气体上，根据谱线的衰减程度以及与组分浓度所呈现的线性关系来得到气体的浓度信息15。NDIR系统简单，价格便宜，被广泛应用于工业过程监测，但易受到烟道中碳氢化合物和水蒸气的干扰。目前已有学者开展关于环境因素对传感器影响的研究。张加宏等16针对环境温湿度对CO2气体传感器的影响展开了抗干扰研究，设计了低湿控制模块与恒温控制模块。结果显示，在复杂温湿度环境下，02103浓度范围内测量平均相对误差为 8.38%。张珅等17对 NDIR开放光路 CO2/H2O分析仪在测量CO2浓度时环境压强及其他气体的影响进行了校准，校准后对CO2浓度测量的相对误差在0.4%2.1%之间，稳定度为 0.31%。赵勇毅18基于NDIR技术设计了一种CO2、CH4双组分气体传感器，在 02103量程范围内相对误差可控制在4.5%内。国内外公司研制出的部分NDIR红外气体传感器如表1所示。目前国内的CO2气体传感器相表1国内外典型NDIR气体分析仪6Table 1Typical NDIR ga
