石油化工企業(yè)碳排放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與管理技術(shù)研究

季彥鋆

(上海市嘉定區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站,上海 201822)

面對(duì)全球氣候變化形勢(shì)日趨嚴(yán)峻的現(xiàn)狀,多個(gè)國(guó)家及地區(qū)相繼提出碳中和目標(biāo)[1],我國(guó)于2020年提出“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)中和”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“雙碳”)的目標(biāo)。生態(tài)環(huán)境部于2021年正式發(fā)布了《碳排放權(quán)交易管理辦法(試行)》,標(biāo)志著我國(guó)碳排放核查與監(jiān)管工作正式啟動(dòng)[2]。在“雙碳”戰(zhàn)略背景下,亟需加強(qiáng)碳排放監(jiān)測(cè)工作,提升碳排放的核查與監(jiān)管水平。文章基于現(xiàn)行的《上海市碳排放管理試行辦法》和《上海市碳排放核查工作規(guī)則(試行)》,針對(duì)石油化工企業(yè)碳排放特征,提出了一套適合現(xiàn)行法規(guī)和監(jiān)測(cè)規(guī)范的碳排放自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 上海市對(duì)石油化工企業(yè)碳排放的管理要求

碳排放是指二氧化碳等溫室氣體的直接排放和間接排放,直接排放是指煤炭、天然氣、石油等化石能源燃燒活動(dòng)和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程等產(chǎn)生的溫室氣體排放;間接排放是指因使用外購(gòu)的電力和熱力等所導(dǎo)致的溫室氣體排放。

根據(jù)《上海市溫室氣體排放核算與報(bào)告指南》(SH/MRV-001—2012),溫室氣體排放的核算可采用基于計(jì)算的方法或基于測(cè)量的方法。基于計(jì)算的方法是指通過(guò)活動(dòng)水平數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)之間的計(jì)算得到溫室氣體排放量的方法;基于測(cè)量的方法是指通過(guò)相關(guān)儀器設(shè)備對(duì)溫室氣體的濃度或體積等進(jìn)行連續(xù)測(cè)量得到溫室氣體排放量的方法。排放主體可以通過(guò)連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,CEMS的技術(shù)性能、安裝位置和運(yùn)行管理等應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定,以減少測(cè)量偏差、降低不確定性。

2 碳排放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)原理

在我國(guó)試點(diǎn)碳市場(chǎng)中,每個(gè)試點(diǎn)地區(qū)都有各自的核算和報(bào)告指南。北京市、上海市、廣東省和湖北省的指南中提到,允許使用連續(xù)監(jiān)測(cè)的方法確定溫室氣體排放量。北京市要求采用連續(xù)監(jiān)測(cè)方法獲得的數(shù)據(jù)不確定性不能高于采用核算方法的計(jì)算結(jié)果,與歐盟第一個(gè)碳排放權(quán)交易期的規(guī)定類(lèi)似。上海市要求根據(jù)連續(xù)監(jiān)測(cè)方法量化的排放量應(yīng)通過(guò)核算方法進(jìn)行驗(yàn)證,與歐盟和美國(guó)的規(guī)定類(lèi)似。這些指南對(duì)于如何應(yīng)用連續(xù)監(jiān)測(cè)方法缺乏詳細(xì)的技術(shù)要求,如監(jiān)測(cè)參數(shù)、監(jiān)測(cè)要求、質(zhì)量保證和質(zhì)量控制措施等。在全國(guó)范圍內(nèi),2013—2015年我國(guó)發(fā)布了3批涵蓋24個(gè)主要行業(yè)的溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南,但均未提及應(yīng)用連續(xù)監(jiān)測(cè)的方法確定溫室氣體排放量。

但是在中國(guó)碳市場(chǎng)試點(diǎn)過(guò)程中,已有企業(yè)聚焦碳排放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與管理平臺(tái)的研究與應(yīng)用。國(guó)家能源集團(tuán)龍?jiān)措娏μ假Y產(chǎn)公司建成行業(yè)首個(gè)燃料端碳排放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),已通過(guò)長(zhǎng)期試運(yùn)行測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了100%碳排放指標(biāo)數(shù)據(jù)的全自動(dòng)實(shí)時(shí)采集、傳輸、計(jì)算和分析,全流程排除人為因素干擾,確保碳排放數(shù)據(jù)質(zhì)量[3]。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電廠(chǎng)碳?xì)湓胤治鰞x設(shè)備的系統(tǒng)改造,封閉了碳排放數(shù)據(jù)數(shù)字化傳輸指標(biāo),結(jié)合電廠(chǎng)現(xiàn)有廠(chǎng)級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)、企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)等信息化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)碳排放指標(biāo)數(shù)據(jù)線(xiàn)上采集率百分之百,并可完成排放量和配額的自動(dòng)計(jì)算。

2.1 直接排放過(guò)程

直接排放過(guò)程產(chǎn)生的二氧化碳排放,在石油化工企業(yè)中往往伴隨有煙塵、氮氧化物、二氧化硫、揮發(fā)性有機(jī)物等氣態(tài)污染物。根據(jù)《上海市大氣污染防治條例》中“第六十三條”之規(guī)定,產(chǎn)生粉塵、廢氣的作業(yè)活動(dòng)具備收集或者消除、減少污染物排放條件的,作業(yè)單位和個(gè)人應(yīng)當(dāng)按照規(guī)定采取相應(yīng)的防治措施,不得無(wú)組織排放,因此石油化工企業(yè)直接排放二氧化碳一般呈現(xiàn)有組織排放的模式。

在有組織排放二氧化碳過(guò)程中,可以通過(guò)CEMS的連續(xù)計(jì)量設(shè)施測(cè)量二氧化碳排放的濃度、流速以及流量,進(jìn)一步提高二氧化碳排放量核算的精確性。《固定污染源廢氣 二氧化碳的測(cè)定 非分散紅外吸收法》(HJ 870—2017)作為國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定了測(cè)定固定污染源廢氣中二氧化碳的非分散紅外吸收法,該方法適用于石油化工企業(yè)直接排放廢氣中二氧化碳的測(cè)定,檢出限為0.03%(0.6 g/m3),測(cè)定下限為0.12%(2.4 g/m3)。

直接排放過(guò)程產(chǎn)生的碳排放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由氣態(tài)污染物(CO2)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸與處理子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)(煙氣流速、溫度、壓力、濕度等)測(cè)量子系統(tǒng)等組成。氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要由取樣探頭、伴熱管線(xiàn)、預(yù)處理單元、分析儀組成,其運(yùn)行原理為通過(guò)加熱抽取法(抽取冷凝法)將煙道中的氣體取出并輸送到預(yù)處理單元,預(yù)處理單元將煙道中的氣體經(jīng)預(yù)處理后送入分析儀表。

通過(guò)在線(xiàn)氣體分析儀表(煙氣分析儀)對(duì)煙氣中二氧化硫參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),將測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在儀表上,最后通過(guò)數(shù)采儀或虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)(VPN)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳到環(huán)保監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送、儲(chǔ)存、報(bào)表統(tǒng)計(jì)和圖形數(shù)據(jù)分析等功能,可將各數(shù)據(jù)傳輸至分散控制系統(tǒng)(DCS),工作現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守[4]。

2.2 間接排放過(guò)程

間接排放指排放主體因使用外購(gòu)的電力和熱力等所導(dǎo)致的溫室氣體排放,該部分排放源于電力和熱力的生產(chǎn)。電力和熱力排放中,活動(dòng)水平數(shù)據(jù)指電力和熱力等的消耗量。

對(duì)于活動(dòng)水平數(shù)據(jù),由于電力和熱力均為外購(gòu),在石油化工企業(yè)內(nèi)一般都具有完備的計(jì)量器具。同時(shí),根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委和質(zhì)檢總局2017年發(fā)布的《重點(diǎn)用能單位能耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)推廣建設(shè)工作方案》,作為當(dāng)?shù)刂攸c(diǎn)用能單位的各石油化工企業(yè)均建設(shè)了全面的一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)能源計(jì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)提供企業(yè)內(nèi)各級(jí)用能單元的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)。

對(duì)于排放因子,該參數(shù)一般由行政主管部門(mén)或者碳排放核查規(guī)則制定單位確定。以電力為例,生態(tài)環(huán)境部于2022年3月發(fā)布《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》(環(huán)辦氣候函[2022]111號(hào)),將全國(guó)電網(wǎng)排放因子調(diào)整為0.581 kg/kWh。而在此之前國(guó)家發(fā)改委在2017年發(fā)布了2015年的數(shù)據(jù)(0.610 kg/kWh),在八大行業(yè)的核查工作中從2016年開(kāi)始一直沿用至2020年。2021年12月,生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《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(2021年修訂版)》(征求意見(jiàn)稿),將全國(guó)電網(wǎng)排放因子更新為0.584 kg/kWh,在2022年修訂版中正式更新為0.581 kg/kWh(相比2015年下降了4.77%)。此外,大部分省級(jí)電網(wǎng)按照省級(jí)行政區(qū)域邊界制定了地方平均二氧化碳排放因子,此類(lèi)省級(jí)電網(wǎng)排放因子也作為“十三五”以來(lái)地區(qū)溫室氣體清單編制工作及碳排放核查工作中核算電力間接排放的依據(jù)。上述排放因子的核算模式也同樣適用于熱力間接排放工作。

根據(jù)上述對(duì)活動(dòng)水平數(shù)據(jù)和排放因子的分析,石油化工企業(yè)碳排放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)需要基于能耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),在能耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中賦予電力消耗和熱力消耗相應(yīng)的全國(guó)或者地方排放因子,以監(jiān)控各單元的碳排放間接排放情況。

3 碳排放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合上述對(duì)直接排放過(guò)程和間接排放過(guò)程碳排放數(shù)據(jù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和核查計(jì)算原則的分析,設(shè)計(jì)了一套石油化工企業(yè)全過(guò)程碳排放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1):(1)該系統(tǒng)基于HJ 870—2017的煙氣CEMS,在線(xiàn)監(jiān)控直接排放過(guò)程;(2)基于重點(diǎn)用能單位能耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)賦定的排放因子缺省值,在線(xiàn)監(jiān)控間接排放過(guò)程。

圖1 石油化工企業(yè)全過(guò)程碳排放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意

以上海化學(xué)工業(yè)區(qū)內(nèi)某大型化工企業(yè)為例,該企業(yè)作為上海市第一批碳排放交易試點(diǎn)企業(yè),自2013年開(kāi)始參與了多輪次碳排放交易工作。企業(yè)的碳排放過(guò)程包括直接排放(天然氣、有機(jī)液體燃料、有機(jī)氣體燃料的燃燒排放)和間接排放(外購(gòu)電力和外購(gòu)蒸汽的排放)。通過(guò)文章設(shè)計(jì)的石油化工企業(yè)全過(guò)程碳排放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),安裝了3套煙氣CEMS以及電力和蒸汽能耗在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有排放過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

4 結(jié)語(yǔ)

2021年我國(guó)石油化工產(chǎn)業(yè)總的能源消耗為195 Mt(以標(biāo)煤計(jì)),總的二氧化碳排放量為445 Mt,占我國(guó)二氧化碳排放總量的4%左右。作為國(guó)內(nèi)碳排放占比較大的產(chǎn)業(yè),石油化工企業(yè)在“雙碳”工作中面臨著巨大的挑戰(zhàn)和壓力。建立一套切實(shí)有效的全過(guò)程碳排放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的碳排放情況及相關(guān)活動(dòng)水平數(shù)據(jù),為“雙碳”目標(biāo)的實(shí)施提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及工作導(dǎo)向。