元素碳含量检测在燃煤发电企业温室气体排放核算中的应用

朱德臣

（华电电力科学研究院有限公司，浙江省 杭州市 310030）

0 引言

温室气体排放监测、报告和核查(MRV)是保障全国碳市场数据质量的根本制度。自 2013年10月起，国家发改委分三批先后发布包括发电行业在内的 24个行业企业温室气体排放核算与报告指南[1]。在此基础上，2015年 11月国家质检总局、国家标准委批准发布了包含发电企业在内的《工业企业温室气体排放核算和报告通则》等11项国家标准[2]。就发电企业温室气体排放核算而言，《中国发电企业温室气体排放核算方法与报告指南》(以下简称“指南”)与《温室气体排放核算与报告要求 第1部分：发电企业》(以下简称“国标”)均明确要求燃煤的单位热值含碳量由月平均元素碳含量与月平均低位发热量相除得出[3-4]。然而，由于大多数发电企业元素碳分析数据缺乏，第三方核查机构一般采用《省级温室气体清单编制指南》(以下简称“省级清单”)中推荐的不同煤种单位热值含碳量缺省值来核算煤炭燃烧的温室气体排放量[5]。

本文旨在从定性角度揭示指南和国标均明确要求通过元素碳实际检测来确定单位热值含碳量的原因；研究元素碳实际检测得出的单位热值含碳量与单位热值含碳量缺省值之间的偏差、元素碳检测所需要的额外投资以及如何保障元素碳检测数据质量，为推动元素碳实际检测提供技术支撑。

1 元素碳含量检测的必要性

基于具备资质的燃煤元素碳检测机构较少、发电企业元素碳检测设备及检测经验缺乏等原因，当前发电企业元素碳检测工作尚未全面开展。部分发电企业或研究机构对开展元素碳检测工作仍持观望态度，原因如下：一是元素碳检测会给发电企业带来额外的检测成本；二是根据发电企业入炉煤元素碳实际检测得出的单位热值含碳量整体而言偏高于缺省值，采用检测值对企业不利；三是难以判断用于元素碳检测的缩分样的代表性，第三方核查机构尚缺乏具备操作性的专业鉴别方法，难以保障科学性、公平性。

指南或国标规定通过元素碳实际检测来确定单位热值含碳量是因为采用单位热值含碳量缺省值不能满足全国碳市场数据公平性和准确性的需要，容易为企业碳排放权交易获利带来不利影响。根据联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)2006年发布的国家温室气体清单，不同煤化程度的发电燃煤单位热值含碳量存在差异。对于每一种特定类型燃煤的单位热值含碳量均存在上限值、下限值和缺省值[6]。以烟煤为例，单位热值含碳量约介于23.81～27.55 tC/TJ之间，假如简单按照省级清单中烟煤单位热值含碳量缺省值26.18 tC/TJ进行计算，在同等热量消耗的基础上，极端情形下因单位热值含碳量的不准确会导致温室气体排放核算量超出实际排放量接近10%或者低于实际排放量接近 5%。一般来说，发电企业的温室气体排放规模介于 100万～1000万 t/a之间，以碳价为30 元/t推算，简单因元素碳实际检测与否产生的温室气体排放权收益差异即介于0～3 000万元之间。显然，元素碳实际检测是极其必要的，是保障数据准确性和真实性的必要环节。

2 元素碳检测与缺省值的差异对比

2.1 元素碳检测的具体要求

按照国标规定，对于燃煤的单位热值含碳量，企业应每天采集入炉煤的缩分样品，每月的最后一天将该月的每天获得的缩分样品混合，测量其元素碳与低位发热量，入炉煤的缩分样品的制备应符合GB474要求[7]。燃煤月平均单位热值含碳量为月平均元素碳含量与月平均低位发热量之比，具体参照公式(1)进行计算：

式中：q为燃煤的月平均单位热值含碳量，tC/GJ；xCM为燃煤的月平均元素碳含量，%；qNCV为燃煤的月平均低位发热量，GJ/t。

国标与指南的根本区别在于：1）国标明确燃煤的单位热值含碳量由缩分样品的元素碳含量与低位发热量相比得出，修正了指南中采用缩分样品元素碳含量与全部燃煤月平均低位发热量相比计算单位热值含碳量的做法；2）国标进一步明确了入炉煤缩分样品的制备依据。

2.2 元素碳检测与缺省值的差异

为让发电企业弄清元素碳检测与缺省值对碳排放量的定量影响，本文给出了56家发电企业、431组基于元素碳检测的月度燃煤燃烧过程的二氧化碳排放统计数据，具体如图1所示。其中，零点环线代表基于单位热值含碳量缺省值与元素碳实测下的单位热值含碳量相等的情况，黑点代表实测值与缺省值的相对偏差量，正值代表基于元素碳实测的二氧化碳排放量低于基于单位热值含碳量缺省值的二氧化碳排放量。可以看出：1）基于元素碳实测的二氧化碳排放数据与缺省相比高低参半，偏高者稍多，约55%发电企业实测数据偏高，研究数据范围内平均偏高 0.58%；2）实测数据平均偏高幅度低于实测数据的平均偏低幅度，元素碳检测发电企业二氧化碳高于缺省值的平均幅度为 2.45%，绝大多数偏离幅度小于5%，低于缺省值的平均幅度为2.62%，少数实测数据偏离幅度甚至超出10%。换言之，元素碳检测有较为明显的降低部分发电企业碳排放权交易损失的作用。

图1 元素碳检测与缺省值对碳排放量的影响Fig. 1 Effect of carbon content measurement and default value on carbon dioxide emission

3 元素碳检测成本

现阶段，发电企业对元素碳检测成本了解尚不够深入。总体来看，元素碳检测工作主要通过两种方式开展：一是送检，即每月按国标要求采集制作缩分样品后，送具备检测资质及能力的煤炭科学研究院、电力科学研究院等科研检测机构进行检定，并出具检测报告；二是自检，即具备检测资质及能力的部分发电企业通过自行购置检测设备进行分析检验。送检样品的平均成本约为200元/样品。自检成本主要由购置仪器成本、维护成本和操作成本3部分构成。市场元素碳检测仪器购置成本如图2所示。

图2 市场元素碳仪器报价Fig. 2 Market quoted price of carbon content analyzers

图中仪器型号用序号表示。可以看出，目前市场元素碳仪器报价大致分布于两个区间范围，其中国外进口检测仪器成本介于50万～100万元之间，国内元素碳检测仪器基本介于于 5万～15万元之间，一般满足于发电企业检测要求的元素碳检测仪器平均约10万元左右。

若仅考虑满足国标现阶段每月检测一次缩分样元素碳含量，送检成本将明显低于自检成本。然而，随着全国碳市场的不断深化、成熟，有偿分配比例将逐步增加，免费分配基准线的收紧将导致配额价格提升，发电企业对碳排放量数据管理的及时性和准确性要求将大大提高。换言之，碳交易市场的成熟将倒逼发电企业对自身入炉煤元素碳含量的检测频次、检测准确度等提出更高要求，以保障企业碳交易的合法权益。

综上，近期而言，送检成本相对较低，适合发电企业应对初期全国碳市场的第三方核查要求。但随着全国碳市场建设的推进，具备检测能力和资质的发电企业自购设备进行检测是必然趋势。假如元素碳按班次化验，单样品检验成本将大大降低。同时考虑检测人员能力建设等因素，及早开展自检工作也是值得推荐的。

4 元素碳检测数据质量的保障

元素碳检测的根本目的是为了使单位热值含碳量更接近于燃料的真实值，从而对于发电企业的二氧化碳排放量核算更为准确。当前元素碳检测存在的常见问题为缩分样样品元素碳检测代表性不足或检测值偏离合理区间。

一是关于缩分样代表性的数据质量保障措施。鉴于国标对缩分样的制备有明确规定，可以通过提高缩分样制备过程监测要求，或者提高监测频次要求来进一步保障样品代表性；二是关于检测值合理性的数据保障质量措施。由于检测仪器可能出现不稳定及其他故障，检测者可能存在操作不当、专业性知识缺乏等问题。缩分样元素碳检测数据准确性判定相当复杂，需要较强的煤质检验专业知识。一般而言，根据不同煤种的单位热值含碳量是否处于合理区间，即可判别有明显错误的检测数据。鉴于燃煤电厂普遍存在掺烧，并具有完整的入炉煤工业分析数据，根据工业分析与元素分析间存在拟合关系，推荐采用煤质检行业常用的经验公式(2)进行判定[8-10]。

式中：Cd为煤中干燥基碳的质量分数，%；Ad为干燥基灰分的质量分数，%；Vd为干燥基挥发分的质量分数，%；St,d为煤中干燥基全硫的质量分数，%；Qgr,d为干燥基高位发热量，kJ/g。

当元素碳检测数据与经验拟合数据偏差在2%以内时，判定为数据准确，否则推荐采用缺省值进行处理。

值得指出的是，当前国标提出的按月制备缩分样检测元素碳含量以得出单位热值含碳量的做法，虽有利于降低发电企业监测工作量，但容易造成缩分样的单位热值含碳量与入炉煤实际单位热值含碳量有较大偏差，其根本原因在于样本数据过小，代表性过低。综合考虑抽样分析原理及监测工作量，建议将元素碳含量监测频次进一步控制到每天一次或每班一次，按热量加权平均求得月平均单位热值含碳量。

5 元素碳检测的推广措施

元素碳检测的推广有利于发电企业提高二氧化碳排放核证值的准确度，有利于获取更为准确的全社会二氧化碳排放量数据。

为了引导企业广泛开展入炉煤元素碳检测，存在两种技术措施可供选择以协助推广。一是提高指南或国标中煤种的单位热值含碳量缺省值。对于未能按规定、按要求开展入炉煤元素碳检测的发电企业，其燃煤的单位热值含碳量按合理区间的上限进行取值以核算发电企业二氧化碳排放量；二是允许已开展入炉煤元素碳检测的发电企业自主选择采取缺省值或实测值进行核算。总体而言，尽管第一种措施较为严格，但有利于保障发电企业碳交易的公平性、有利于引导碳排放数据向客观角度发展，被第三方碳核查机构采信为核查依据的可能性较大。

6 结论

1）元素碳检测的推广有利于发电企业获取更为准确的二氧化碳排放量数据，有利于发电企业合理争取碳排放权交易利益，也有利于提升全国碳市场基础数据的客观性与公平性。

2）元素碳检测得出的单位热值含碳量总体高于缺省值约 0.58%，但对于检测值低于缺省值的发电企业而言，偏离值会更大，甚至超过10%。

3）元素碳检测成本总体不高，按当前国标要求入炉煤元素碳送检成本约为2400元/(机组⋅年)，但随着碳市场的推进，自检将是更优的选择。

4）煤质检验行业经验拟合公式有助于从技术角度判定元素碳检测的准确性，避免数据代表性不足或检测错误等现象。

5）第三方核查过程，采用煤种的单位热值含碳量缺省值上限进行核算，有助于元素碳检测的推广实施。

6）建议具备自检条件的发电企业，进一步提高元素碳检测频次，由 1次/月提升为 1次/天或者1次/班。