“雙碳”目標(biāo)視角下燃煤電廠碳計(jì)量方法的研究

摘要：隨著全球能源需求的增長和環(huán)保要求的提高，燃煤電廠的碳排放問題變得尤為突出。通過對(duì)“雙碳”目標(biāo)下燃煤電廠碳排放核算方法展開研究，系統(tǒng)地總結(jié)目前常用的碳排放核算方法，并對(duì)其進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)，提出對(duì)碳排放計(jì)量方法的進(jìn)一步研究展望，對(duì)指導(dǎo)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)施和燃煤電廠的碳減排具有一定的理論和實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：“雙碳”目標(biāo)；燃煤電廠；碳計(jì)量

基金項(xiàng)目：2023年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“‘雙碳’目標(biāo)下燃煤電廠碳排放核算方法的研究”（2023KY1372）；2024年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“火電廠碳減排分析與對(duì)策研究及應(yīng)用”（2024KY1388）

引言

近年來，全球氣候變化對(duì)人類生產(chǎn)生活的不利影響越來越突出，應(yīng)對(duì)氣候變化已經(jīng)成為人類社會(huì)共同面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。2019 年，我國碳排放占全球的29%，排名第1。對(duì)此，我國制定了“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。電力行業(yè)作為主要的碳排放源之一，在控制和減少碳排放方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，對(duì)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，電力行業(yè)的CO2排放約占我國總排放的50%，且主要來自于燃煤電廠。燃煤電廠主要通過燃燒煤炭進(jìn)行發(fā)電，而煤炭燃燒過程中產(chǎn)生的主要溫室氣體是CO2，因此燃煤電廠的CO2排放計(jì)量非常重要，對(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要影響。然而，目前的燃煤電廠CO2排放計(jì)量方法尚存在一些問題，如計(jì)量不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)缺失、統(tǒng)計(jì)方法不統(tǒng)一等，對(duì)燃煤電廠CO2排放的準(zhǔn)確了解和控制產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，研究燃煤電廠CO2計(jì)量方法，提高計(jì)量的準(zhǔn)確性和一致性，在“雙碳”目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)背景下具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值，可準(zhǔn)確地評(píng)估電廠的碳排放狀況，促進(jìn)燃煤電廠向更為環(huán)保、更加高效率的發(fā)展方向轉(zhuǎn)變，有助于“雙碳”目標(biāo)的最終實(shí)現(xiàn)。

1碳計(jì)量方法

目前，全球范圍內(nèi)CO2排放的測量手段，根據(jù)數(shù)據(jù)的獲得途徑與精確性級(jí)別劃分為2大類，即核算法和實(shí)測法。而世界上普遍采用的核算法有排放因子法和質(zhì)量平衡法，這2種方法均能準(zhǔn)確測定CO2排放量。除此之外，模型法和生命周期法也是燃煤電廠CO2排放計(jì)量中的2種重要方法。

1.1排放因子法

排放因子法由聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）指南提出，是定量計(jì)算CO2排放的一種最為廣泛使用的方法，通過活動(dòng)數(shù)據(jù)與排放因子相乘來計(jì)算溫室氣體的排放量。我國燃煤發(fā)電行業(yè)目前普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)是《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求 第1部分：發(fā)電企業(yè)》（GB/T 32151.1-2015），以指導(dǎo)發(fā)電企業(yè)進(jìn)行CO2排放的核算。計(jì)算公式如式（1）、式（2）、式（3）、式（4）所示[1]。

式中 E—CO2總排放量，t；E燃燒—燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放； E脫硫—脫硫過程中的CO2排放； E外購電—購買外部電力產(chǎn)生的CO2排放；ADi—第 i 種燃料的活動(dòng)量表征值，TJ；EFi—第i 種燃料的排放因子，t/TJ（以CO2計(jì)）；CALK—第 k 種脫硫劑中碳酸鹽消耗量，t；EFK—第 k 種脫硫劑中碳酸鹽的排放因子，t/t（以CO2計(jì)）；AD外購電—企業(yè)的凈購入電量，MWh；EF外購電—區(qū)域電網(wǎng)年平均供電排放因子，t/MWh（以CO2 計(jì)）。

又因不用來源排放因子不同，清單指南分層級(jí)給出3種CO2排放清單編制方法，促進(jìn)計(jì)算精度逐漸提升 [1]，如表1所示。排放因子法操作簡便，可在沒有詳細(xì)檢測數(shù)據(jù)的情況下開展碳計(jì)量。但直接使用缺省值，并不能完全符合我國燃煤電廠的具體情況，進(jìn)而影響排放數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如，JEON E C等[2]對(duì)位于韓國的一個(gè)燃煤發(fā)電廠進(jìn)行現(xiàn)場測試，測試內(nèi)容包括煤炭的熱量價(jià)值、碳含量、氫含量及排放煙氣中的CO2濃度，基于這些測試數(shù)據(jù)計(jì)算得到相應(yīng)的排放因子，進(jìn)而計(jì)算出不同類型燃煤的碳排放量。研究表明，與IPCC建議的默認(rèn)排放因子相比，無煙煤、煙煤和次煙煤的碳排放量分別為10.8%、5.5%和1.9%。

1.2質(zhì)量平衡法

質(zhì)量平衡法是基于質(zhì)量守恒的原則，通過對(duì)某一過程中所有進(jìn)入和離開系統(tǒng)的碳組分進(jìn)行核算，按式（5）計(jì)算出系統(tǒng)的凈碳排放量。

式中 E—CO2排放量，t； G投入—投入原料的含碳量，t； G產(chǎn)出—產(chǎn)出的含碳量，t； G廢物—輸出的廢物含碳量，t。

段升飛[3]通過質(zhì)量平衡法，假設(shè)燃燒產(chǎn)生的CO、CO2、THC（總碳?xì)浠铮┘肮腆w顆粒物中的碳的轉(zhuǎn)化率均為100%，據(jù)此計(jì)算CO2的排放因子。譚超 [4]考慮3個(gè)場景下的碳氧化率，在理論上的100%氧化率、無爐渣飛灰含碳量下的氧化率及實(shí)際測量的氧化率情況下，運(yùn)用質(zhì)量平衡法計(jì)算電廠的CO2排放總量，并對(duì)這些排放因子和氧化率進(jìn)行修正。

通過研究發(fā)現(xiàn)，采用質(zhì)量平衡法計(jì)算出的CO2排放量與電廠實(shí)際排放量最為接近。然而，質(zhì)量平衡法的準(zhǔn)確度很大程度上取決于對(duì)電廠煤炭使用量及其它相關(guān)數(shù)據(jù)的精確獲取。質(zhì)量平衡法在數(shù)據(jù)充足的情況下能較準(zhǔn)確地估計(jì)CO2碳排放量，但有很大的局限性，要求收集的數(shù)據(jù)必須完整精確，當(dāng)系統(tǒng)中的交互過程復(fù)雜時(shí)，利用質(zhì)量平衡法計(jì)算就會(huì)變得異常復(fù)雜和艱巨。

1.3 實(shí)測法

通過連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）測定氣體的成分、濃度和氣體排放的速率等參數(shù)，直接量化和記錄實(shí)際CO2排放的技術(shù)和方法。計(jì)算公式如式（6）所示。

式中 E—CO2排放量，t；K—修正參數(shù)；C—測量期間的平均污染物濃度，mg/m3（以CO2計(jì)）；Q—流量（單位時(shí)間內(nèi)氣體通過排放點(diǎn)的體積），m3/h；T—時(shí)間因子（將測量值轉(zhuǎn)換為所需的時(shí)間單位的排放量），h。

實(shí)測法被認(rèn)為是精確度最高的監(jiān)測手段，能夠提供準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的排放數(shù)據(jù)，對(duì)于驗(yàn)證和報(bào)告碳排放至關(guān)重要。但實(shí)測法在設(shè)備成本、技術(shù)專業(yè)性和數(shù)據(jù)管理的實(shí)施上存在一定的挑戰(zhàn)，實(shí)測設(shè)備通常價(jià)格昂貴，且維護(hù)和操作成本較高。在歐美國家，實(shí)測法的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，并形成了較為全面的碳排放數(shù)據(jù)庫。如，SCHIVLEY G等[5]在其研究中使用了美國電力行業(yè)的CEMS所收集的歷史數(shù)據(jù)，分析了2001～2017年美國不同區(qū)域的年度、季度和月度碳排放強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)由于可再生能源發(fā)電比例的增加，美國的CO2排放強(qiáng)度減少了約30%。

當(dāng)前，我國燃煤電廠普遍采用在線監(jiān)控系統(tǒng)來跟蹤氮氧化物（NOx）的排放情況。而對(duì)CO2的在線監(jiān)測則相對(duì)較少，主要因?yàn)镃O2在線監(jiān)測設(shè)備和維護(hù)成本較高，同時(shí)其測量的準(zhǔn)確性也受到監(jiān)測設(shè)備的精度和穩(wěn)定性影響，因此目前我國配備完整CO2在線監(jiān)測系統(tǒng)的電廠數(shù)量并不多。由于我國燃煤電廠中存在較為普遍的煤炭與其它物質(zhì)混燃的情況，因而使用實(shí)測法得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)要比核算法更為可靠。隨著“雙碳”目標(biāo)的提出與推進(jìn)，燃煤發(fā)電企業(yè)現(xiàn)已成為實(shí)測法的示范單位，可以預(yù)見實(shí)測法計(jì)量燃煤電廠的CO2排放將會(huì)迎來迅猛發(fā)展。

1.4 其它方法

模型法是通過建立數(shù)學(xué)模型來估算生產(chǎn)過程中碳排放的分析方法。常見的碳排放計(jì)量模型有STIRPAT 模型、KAYA模型和 IPAT 模型等。這些模型通常被用于預(yù)測全球、某國家或某區(qū)域在特定情境下的能源結(jié)構(gòu)、環(huán)境政策、人口變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多種因素對(duì)CO2排放的影響和變化規(guī)律。而用于預(yù)測單個(gè)燃煤電廠CO2排放的模型研究還相對(duì)較少，目前尚未建立統(tǒng)一的預(yù)測模型。

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對(duì)生命周期法的定義，生命周期法（ LCA）是一種針對(duì)產(chǎn)品生存期內(nèi)全過程直接和間接對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響進(jìn)行收集和評(píng)估的方法。燃煤電廠的CO2排放主要發(fā)生在生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)過程和廢物處理3個(gè)階段。與以上3種主要關(guān)注于電廠生產(chǎn)過程排放的核算方法不同，LCA可以更全面地覆蓋燃煤電廠的碳排放源，具有更廣的計(jì)算邊界。

2碳計(jì)量方法的對(duì)比分析

碳排放的核算結(jié)果因所采用的測量方法不同而差異較大。如，基于美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）清潔空氣市場部（CAMD）和美國能源信息署（EIA）公布的燃煤電廠碳排放數(shù)據(jù)，ACKERMAN K V等[6]采用核算法和實(shí)測法對(duì)美國持續(xù)性CO2排放進(jìn)行計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，在估算到單個(gè)發(fā)電廠的排放量時(shí)，平均絕對(duì)誤差顯著增大，分別達(dá)到了16.9%和25.3%。QUICK J C[7]對(duì)基于這2種數(shù)據(jù)來源計(jì)算的CO2排放量進(jìn)行對(duì)比，得出基于核算法的EIA數(shù)據(jù)與基于實(shí)測法的CAMD數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果之間的年度CO2排放量存在高達(dá)±10.8%的差異，發(fā)現(xiàn)前者相對(duì)后者具有更高的準(zhǔn)確性。裴冰等[8]分別采用基于IPCC指南缺省值的排放因子法和實(shí)測法，對(duì)某320MW機(jī)組在不同負(fù)荷下的CO2排放量進(jìn)行核算和測試，結(jié)果表明基于指南缺省值的排放因子法核算的CO2排放量與基于實(shí)測法的CO2排放量之間的相對(duì)偏差約為30%。

由此可見，不同碳計(jì)量的結(jié)果往往存在差異，尤其采用缺省值的排放因子法，與實(shí)測法的結(jié)果相比差異較大。究其原因，主要是由于實(shí)測法是基于特定發(fā)電機(jī)組或設(shè)施的實(shí)際排放數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，反映的是該特定情況下的確切排放情況，而缺省值的排放因子法采用的是一種更為通用的估算方法，是基于一系列標(biāo)準(zhǔn)或平均情況來設(shè)定排放因子，未能準(zhǔn)確反映特定設(shè)施或條件下的實(shí)際排放情況，不能涵蓋所有個(gè)體差異；同時(shí)，還可能是由于它們在數(shù)據(jù)來源、考慮的具體性與通用性及可適用性方面本質(zhì)的區(qū)別所導(dǎo)致。

3研究展望

近年來，我國碳排放計(jì)量體系正朝著“核算為主，監(jiān)測為輔”的核算模式邁進(jìn)。在國際上，排放因子法因其廣泛的適用性和相對(duì)簡單的計(jì)算流程而被普遍采用。然而，若直接應(yīng)用IPCC指南缺省值來計(jì)算我國的燃煤電廠碳排放，可能會(huì)導(dǎo)致較為顯著的誤差。質(zhì)量平衡法需要通過構(gòu)建碳平衡才能計(jì)算燃煤電廠的碳排放量，計(jì)算步驟較為復(fù)雜，且需數(shù)據(jù)完整。實(shí)測法可提供更準(zhǔn)確的碳排放數(shù)據(jù)，但其準(zhǔn)確性受到測量技術(shù)、設(shè)備校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理等因素的影響。

通過對(duì)比分析，核算法的誤差主要源于排放因子的準(zhǔn)確性不足，實(shí)測法的誤差主要源于對(duì)煙氣流量和CO2濃度測量的準(zhǔn)確性不足。未來可從3個(gè)方面開展研究，即①深度分析核算方法中的不確定性因素，以便對(duì)核算法和在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化；②建立碳排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，利用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和更新，提高排放因子的準(zhǔn)確性和適用性，降低碳計(jì)量誤差；③ 建立統(tǒng)一、科學(xué)的燃煤電廠碳排放核算體系，研究開發(fā)相關(guān)碳核算法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范，或建立各碳計(jì)量方法結(jié)果之間相互換算的方法，利于各國各地區(qū)開展談判和履約。

結(jié)語

通過對(duì)燃煤電廠碳計(jì)量方法進(jìn)行深入探討與分析，尋找更有效的碳排放監(jiān)測與評(píng)估手段，可支持燃煤電廠在減碳轉(zhuǎn)型的道路上取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。研究表明，準(zhǔn)確、高效的碳計(jì)量對(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有不可或缺的作用，盡管目前的碳計(jì)量方法已取得一定成果，但仍面臨著標(biāo)準(zhǔn)化不足、技術(shù)手段有限和數(shù)據(jù)管理復(fù)雜等挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。通過上述研究，期望為碳計(jì)量方法的改進(jìn)和燃煤電廠的碳減排提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)，共同推動(dòng)能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。

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作者簡介

李惠（1989—），女，漢族，湖南澧縣人，講師，工程師，碩士，研究方向?yàn)榄h(huán)境科學(xué)。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-03-28