元素碳含量檢測在燃煤發電企業溫室氣體排放核算中的應用

朱德臣

（華電電力科學研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

溫室氣體排放監測、報告和核查(MRV)是保障全國碳市場數據質量的根本制度。自 2013年10月起，國家發改委分三批先后發布包括發電行業在內的 24個行業企業溫室氣體排放核算與報告指南[1]。在此基礎上，2015年 11月國家質檢總局、國家標準委批準發布了包含發電企業在內的《工業企業溫室氣體排放核算和報告通則》等11項國家標準[2]。就發電企業溫室氣體排放核算而言，《中國發電企業溫室氣體排放核算方法與報告指南》(以下簡稱“指南”)與《溫室氣體排放核算與報告要求 第1部分：發電企業》(以下簡稱“國標”)均明確要求燃煤的單位熱值含碳量由月平均元素碳含量與月平均低位發熱量相除得出[3-4]。然而，由于大多數發電企業元素碳分析數據缺乏，第三方核查機構一般采用《省級溫室氣體清單編制指南》(以下簡稱“省級清單”)中推薦的不同煤種單位熱值含碳量缺省值來核算煤炭燃燒的溫室氣體排放量[5]。

本文旨在從定性角度揭示指南和國標均明確要求通過元素碳實際檢測來確定單位熱值含碳量的原因；研究元素碳實際檢測得出的單位熱值含碳量與單位熱值含碳量缺省值之間的偏差、元素碳檢測所需要的額外投資以及如何保障元素碳檢測數據質量，為推動元素碳實際檢測提供技術支撐。

1 元素碳含量檢測的必要性

基于具備資質的燃煤元素碳檢測機構較少、發電企業元素碳檢測設備及檢測經驗缺乏等原因，當前發電企業元素碳檢測工作尚未全面開展。部分發電企業或研究機構對開展元素碳檢測工作仍持觀望態度，原因如下：一是元素碳檢測會給發電企業帶來額外的檢測成本；二是根據發電企業入爐煤元素碳實際檢測得出的單位熱值含碳量整體而言偏高于缺省值，采用檢測值對企業不利；三是難以判斷用于元素碳檢測的縮分樣的代表性，第三方核查機構尚缺乏具備操作性的專業鑒別方法，難以保障科學性、公平性。

指南或國標規定通過元素碳實際檢測來確定單位熱值含碳量是因為采用單位熱值含碳量缺省值不能滿足全國碳市場數據公平性和準確性的需要，容易為企業碳排放權交易獲利帶來不利影響。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)2006年發布的國家溫室氣體清單，不同煤化程度的發電燃煤單位熱值含碳量存在差異。對于每一種特定類型燃煤的單位熱值含碳量均存在上限值、下限值和缺省值[6]。以煙煤為例，單位熱值含碳量約介于23.81～27.55 tC/TJ之間，假如簡單按照省級清單中煙煤單位熱值含碳量缺省值26.18 tC/TJ進行計算，在同等熱量消耗的基礎上，極端情形下因單位熱值含碳量的不準確會導致溫室氣體排放核算量超出實際排放量接近10%或者低于實際排放量接近 5%。一般來說，發電企業的溫室氣體排放規模介于 100萬～1000萬 t/a之間，以碳價為30 元/t推算，簡單因元素碳實際檢測與否產生的溫室氣體排放權收益差異即介于0～3 000萬元之間。顯然，元素碳實際檢測是極其必要的，是保障數據準確性和真實性的必要環節。

2 元素碳檢測與缺省值的差異對比

2.1 元素碳檢測的具體要求

按照國標規定，對于燃煤的單位熱值含碳量，企業應每天采集入爐煤的縮分樣品，每月的最后一天將該月的每天獲得的縮分樣品混合，測量其元素碳與低位發熱量，入爐煤的縮分樣品的制備應符合GB474要求[7]。燃煤月平均單位熱值含碳量為月平均元素碳含量與月平均低位發熱量之比，具體參照公式(1)進行計算：

式中：q為燃煤的月平均單位熱值含碳量，tC/GJ；xCM為燃煤的月平均元素碳含量，%；qNCV為燃煤的月平均低位發熱量，GJ/t。

國標與指南的根本區別在于：1）國標明確燃煤的單位熱值含碳量由縮分樣品的元素碳含量與低位發熱量相比得出，修正了指南中采用縮分樣品元素碳含量與全部燃煤月平均低位發熱量相比計算單位熱值含碳量的做法；2）國標進一步明確了入爐煤縮分樣品的制備依據。

2.2 元素碳檢測與缺省值的差異

為讓發電企業弄清元素碳檢測與缺省值對碳排放量的定量影響，本文給出了56家發電企業、431組基于元素碳檢測的月度燃煤燃燒過程的二氧化碳排放統計數據，具體如圖1所示。其中，零點環線代表基于單位熱值含碳量缺省值與元素碳實測下的單位熱值含碳量相等的情況，黑點代表實測值與缺省值的相對偏差量，正值代表基于元素碳實測的二氧化碳排放量低于基于單位熱值含碳量缺省值的二氧化碳排放量。可以看出：1）基于元素碳實測的二氧化碳排放數據與缺省相比高低參半，偏高者稍多，約55%發電企業實測數據偏高，研究數據范圍內平均偏高 0.58%；2）實測數據平均偏高幅度低于實測數據的平均偏低幅度，元素碳檢測發電企業二氧化碳高于缺省值的平均幅度為 2.45%，絕大多數偏離幅度小于5%，低于缺省值的平均幅度為2.62%，少數實測數據偏離幅度甚至超出10%。換言之，元素碳檢測有較為明顯的降低部分發電企業碳排放權交易損失的作用。

圖1 元素碳檢測與缺省值對碳排放量的影響Fig. 1 Effect of carbon content measurement and default value on carbon dioxide emission

3 元素碳檢測成本

現階段，發電企業對元素碳檢測成本了解尚不夠深入。總體來看，元素碳檢測工作主要通過兩種方式開展：一是送檢，即每月按國標要求采集制作縮分樣品后，送具備檢測資質及能力的煤炭科學研究院、電力科學研究院等科研檢測機構進行檢定，并出具檢測報告；二是自檢，即具備檢測資質及能力的部分發電企業通過自行購置檢測設備進行分析檢驗。送檢樣品的平均成本約為200元/樣品。自檢成本主要由購置儀器成本、維護成本和操作成本3部分構成。市場元素碳檢測儀器購置成本如圖2所示。

圖2 市場元素碳儀器報價Fig. 2 Market quoted price of carbon content analyzers

圖中儀器型號用序號表示。可以看出，目前市場元素碳儀器報價大致分布于兩個區間范圍，其中國外進口檢測儀器成本介于50萬～100萬元之間，國內元素碳檢測儀器基本介于于 5萬～15萬元之間，一般滿足于發電企業檢測要求的元素碳檢測儀器平均約10萬元左右。

若僅考慮滿足國標現階段每月檢測一次縮分樣元素碳含量，送檢成本將明顯低于自檢成本。然而，隨著全國碳市場的不斷深化、成熟，有償分配比例將逐步增加，免費分配基準線的收緊將導致配額價格提升，發電企業對碳排放量數據管理的及時性和準確性要求將大大提高。換言之，碳交易市場的成熟將倒逼發電企業對自身入爐煤元素碳含量的檢測頻次、檢測準確度等提出更高要求，以保障企業碳交易的合法權益。

綜上，近期而言，送檢成本相對較低，適合發電企業應對初期全國碳市場的第三方核查要求。但隨著全國碳市場建設的推進，具備檢測能力和資質的發電企業自購設備進行檢測是必然趨勢。假如元素碳按班次化驗，單樣品檢驗成本將大大降低。同時考慮檢測人員能力建設等因素，及早開展自檢工作也是值得推薦的。

4 元素碳檢測數據質量的保障

元素碳檢測的根本目的是為了使單位熱值含碳量更接近于燃料的真實值，從而對于發電企業的二氧化碳排放量核算更為準確。當前元素碳檢測存在的常見問題為縮分樣樣品元素碳檢測代表性不足或檢測值偏離合理區間。

一是關于縮分樣代表性的數據質量保障措施。鑒于國標對縮分樣的制備有明確規定，可以通過提高縮分樣制備過程監測要求，或者提高監測頻次要求來進一步保障樣品代表性；二是關于檢測值合理性的數據保障質量措施。由于檢測儀器可能出現不穩定及其他故障，檢測者可能存在操作不當、專業性知識缺乏等問題。縮分樣元素碳檢測數據準確性判定相當復雜，需要較強的煤質檢驗專業知識。一般而言，根據不同煤種的單位熱值含碳量是否處于合理區間，即可判別有明顯錯誤的檢測數據。鑒于燃煤電廠普遍存在摻燒，并具有完整的入爐煤工業分析數據，根據工業分析與元素分析間存在擬合關系，推薦采用煤質檢行業常用的經驗公式(2)進行判定[8-10]。

式中：Cd為煤中干燥基碳的質量分數，%；Ad為干燥基灰分的質量分數，%；Vd為干燥基揮發分的質量分數，%；St,d為煤中干燥基全硫的質量分數，%；Qgr,d為干燥基高位發熱量，kJ/g。

當元素碳檢測數據與經驗擬合數據偏差在2%以內時，判定為數據準確，否則推薦采用缺省值進行處理。

值得指出的是，當前國標提出的按月制備縮分樣檢測元素碳含量以得出單位熱值含碳量的做法，雖有利于降低發電企業監測工作量，但容易造成縮分樣的單位熱值含碳量與入爐煤實際單位熱值含碳量有較大偏差，其根本原因在于樣本數據過小，代表性過低。綜合考慮抽樣分析原理及監測工作量，建議將元素碳含量監測頻次進一步控制到每天一次或每班一次，按熱量加權平均求得月平均單位熱值含碳量。

5 元素碳檢測的推廣措施

元素碳檢測的推廣有利于發電企業提高二氧化碳排放核證值的準確度，有利于獲取更為準確的全社會二氧化碳排放量數據。

為了引導企業廣泛開展入爐煤元素碳檢測，存在兩種技術措施可供選擇以協助推廣。一是提高指南或國標中煤種的單位熱值含碳量缺省值。對于未能按規定、按要求開展入爐煤元素碳檢測的發電企業，其燃煤的單位熱值含碳量按合理區間的上限進行取值以核算發電企業二氧化碳排放量；二是允許已開展入爐煤元素碳檢測的發電企業自主選擇采取缺省值或實測值進行核算。總體而言，盡管第一種措施較為嚴格，但有利于保障發電企業碳交易的公平性、有利于引導碳排放數據向客觀角度發展，被第三方碳核查機構采信為核查依據的可能性較大。

6 結論

1）元素碳檢測的推廣有利于發電企業獲取更為準確的二氧化碳排放量數據，有利于發電企業合理爭取碳排放權交易利益，也有利于提升全國碳市場基礎數據的客觀性與公平性。

2）元素碳檢測得出的單位熱值含碳量總體高于缺省值約 0.58%，但對于檢測值低于缺省值的發電企業而言，偏離值會更大，甚至超過10%。

3）元素碳檢測成本總體不高，按當前國標要求入爐煤元素碳送檢成本約為2400元/(機組?年)，但隨著碳市場的推進，自檢將是更優的選擇。

4）煤質檢驗行業經驗擬合公式有助于從技術角度判定元素碳檢測的準確性，避免數據代表性不足或檢測錯誤等現象。

5）第三方核查過程，采用煤種的單位熱值含碳量缺省值上限進行核算，有助于元素碳檢測的推廣實施。

6）建議具備自檢條件的發電企業，進一步提高元素碳檢測頻次，由 1次/月提升為 1次/天或者1次/班。