“双碳”目标视角下燃煤电厂碳计量方法的研究

摘要：随着全球能源需求的增长和环保要求的提高，燃煤电厂的碳排放问题变得尤为突出。通过对“双碳”目标下燃煤电厂碳排放核算方法展开研究，系统地总结目前常用的碳排放核算方法，并对其进行比较和评价，提出对碳排放计量方法的进一步研究展望，对指导“双碳”目标的实施和燃煤电厂的碳减排具有一定的理论和实践意义。

关键词：“双碳”目标；燃煤电厂；碳计量

基金项目：2023年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“‘双碳’目标下燃煤电厂碳排放核算方法的研究”（2023KY1372）；2024年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“火电厂碳减排分析与对策研究及应用”（2024KY1388）

引言

近年来，全球气候变化对人类生产生活的不利影响越来越突出，应对气候变化已经成为人类社会共同面临的最严峻挑战之一。2019 年，我国碳排放占全球的29%，排名第1。对此，我国制定了“双碳”战略目标。电力行业作为主要的碳排放源之一，在控制和减少碳排放方面发挥着至关重要的作用，对“双碳”目标的实现具有重要意义。

据统计，电力行业的CO2排放约占我国总排放的50%，且主要来自于燃煤电厂。燃煤电厂主要通过燃烧煤炭进行发电，而煤炭燃烧过程中产生的主要温室气体是CO2，因此燃煤电厂的CO2排放计量非常重要，对于实现“双碳”目标具有重要影响。然而，目前的燃煤电厂CO2排放计量方法尚存在一些问题，如计量不准确、数据缺失、统计方法不统一等，对燃煤电厂CO2排放的准确了解和控制产生严重影响。因此，研究燃煤电厂CO2计量方法，提高计量的准确性和一致性，在“双碳”目标早日实现背景下具有重大的现实意义和应用价值，可准确地评估电厂的碳排放状况，促进燃煤电厂向更为环保、更加高效率的发展方向转变，有助于“双碳”目标的最终实现。

1碳计量方法

目前，全球范围内CO2排放的测量手段，根据数据的获得途径与精确性级别划分为2大类，即核算法和实测法。而世界上普遍采用的核算法有排放因子法和质量平衡法，这2种方法均能准确测定CO2排放量。除此之外，模型法和生命周期法也是燃煤电厂CO2排放计量中的2种重要方法。

1.1排放因子法

排放因子法由联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）指南提出，是定量计算CO2排放的一种最为广泛使用的方法，通过活动数据与排放因子相乘来计算温室气体的排放量。我国燃煤发电行业目前普遍采用的标准是《温室气体排放核算与报告要求 第1部分：发电企业》（GB/T 32151.1-2015），以指导发电企业进行CO2排放的核算。计算公式如式（1）、式（2）、式（3）、式（4）所示[1]。

式中 E—CO2总排放量，t；E燃烧—燃料燃烧产生的CO2排放； E脱硫—脱硫过程中的CO2排放； E外购电—购买外部电力产生的CO2排放；ADi—第 i 种燃料的活动量表征值，TJ；EFi—第i 种燃料的排放因子，t/TJ（以CO2计）；CALK—第 k 种脱硫剂中碳酸盐消耗量，t；EFK—第 k 种脱硫剂中碳酸盐的排放因子，t/t（以CO2计）；AD外购电—企业的净购入电量，MWh；EF外购电—区域电网年平均供电排放因子，t/MWh（以CO2 计）。

又因不用来源排放因子不同，清单指南分层级给出3种CO2排放清单编制方法，促进计算精度逐渐提升 [1]，如表1所示。排放因子法操作简便，可在没有详细检测数据的情况下开展碳计量。但直接使用缺省值，并不能完全符合我国燃煤电厂的具体情况，进而影响排放数据的准确性。如，JEON E C等[2]对位于韩国的一个燃煤发电厂进行现场测试，测试内容包括煤炭的热量价值、碳含量、氢含量及排放烟气中的CO2浓度，基于这些测试数据计算得到相应的排放因子，进而计算出不同类型燃煤的碳排放量。研究表明，与IPCC建议的默认排放因子相比，无烟煤、烟煤和次烟煤的碳排放量分别为10.8%、5.5%和1.9%。

1.2质量平衡法

质量平衡法是基于质量守恒的原则，通过对某一过程中所有进入和离开系统的碳组分进行核算，按式（5）计算出系统的净碳排放量。

式中 E—CO2排放量，t； G投入—投入原料的含碳量，t； G产出—产出的含碳量，t； G废物—输出的废物含碳量，t。

段升飞[3]通过质量平衡法，假设燃烧产生的CO、CO2、THC（总碳氢化物）及固体颗粒物中的碳的转化率均为100%，据此计算CO2的排放因子。谭超 [4]考虑3个场景下的碳氧化率，在理论上的100%氧化率、无炉渣飞灰含碳量下的氧化率及实际测量的氧化率情况下，运用质量平衡法计算电厂的CO2排放总量，并对这些排放因子和氧化率进行修正。

通过研究发现，采用质量平衡法计算出的CO2排放量与电厂实际排放量最为接近。然而，质量平衡法的准确度很大程度上取决于对电厂煤炭使用量及其它相关数据的精确获取。质量平衡法在数据充足的情况下能较准确地估计CO2碳排放量，但有很大的局限性，要求收集的数据必须完整精确，当系统中的交互过程复杂时，利用质量平衡法计算就会变得异常复杂和艰巨。

1.3 实测法

通过连续排放监测系统（CEMS）测定气体的成分、浓度和气体排放的速率等参数，直接量化和记录实际CO2排放的技术和方法。计算公式如式（6）所示。

式中 E—CO2排放量，t；K—修正参数；C—测量期间的平均污染物浓度，mg/m3（以CO2计）；Q—流量（单位时间内气体通过排放点的体积），m3/h；T—时间因子（将测量值转换为所需的时间单位的排放量），h。

实测法被认为是精确度最高的监测手段，能够提供准确和实时的排放数据，对于验证和报告碳排放至关重要。但实测法在设备成本、技术专业性和数据管理的实施上存在一定的挑战，实测设备通常价格昂贵，且维护和操作成本较高。在欧美国家，实测法的应用已经相当成熟，并形成了较为全面的碳排放数据库。如，SCHIVLEY G等[5]在其研究中使用了美国电力行业的CEMS所收集的历史数据，分析了2001～2017年美国不同区域的年度、季度和月度碳排放强度，发现由于可再生能源发电比例的增加，美国的CO2排放强度减少了约30%。

当前，我国燃煤电厂普遍采用在线监控系统来跟踪氮氧化物（NOx）的排放情况。而对CO2的在线监测则相对较少，主要因为CO2在线监测设备和维护成本较高，同时其测量的准确性也受到监测设备的精度和稳定性影响，因此目前我国配备完整CO2在线监测系统的电厂数量并不多。由于我国燃煤电厂中存在较为普遍的煤炭与其它物质混燃的情况，因而使用实测法得到的监测数据要比核算法更为可靠。随着“双碳”目标的提出与推进，燃煤发电企业现已成为实测法的示范单位，可以预见实测法计量燃煤电厂的CO2排放将会迎来迅猛发展。

1.4 其它方法

模型法是通过建立数学模型来估算生产过程中碳排放的分析方法。常见的碳排放计量模型有STIRPAT 模型、KAYA模型和 IPAT 模型等。这些模型通常被用于预测全球、某国家或某区域在特定情境下的能源结构、环境政策、人口变化、经济发展等多种因素对CO2排放的影响和变化规律。而用于预测单个燃煤电厂CO2排放的模型研究还相对较少，目前尚未建立统一的预测模型。

根据国际标准化组织（ISO）对生命周期法的定义，生命周期法（ LCA）是一种针对产品生存期内全过程直接和间接对环境产生的影响进行收集和评估的方法。燃煤电厂的CO2排放主要发生在生产准备、生产过程和废物处理3个阶段。与以上3种主要关注于电厂生产过程排放的核算方法不同，LCA可以更全面地覆盖燃煤电厂的碳排放源，具有更广的计算边界。

2碳计量方法的对比分析

碳排放的核算结果因所采用的测量方法不同而差异较大。如，基于美国环境保护署（EPA）清洁空气市场部（CAMD）和美国能源信息署（EIA）公布的燃煤电厂碳排放数据，ACKERMAN K V等[6]采用核算法和实测法对美国持续性CO2排放进行计算时发现，在估算到单个发电厂的排放量时，平均绝对误差显著增大，分别达到了16.9%和25.3%。QUICK J C[7]对基于这2种数据来源计算的CO2排放量进行对比，得出基于核算法的EIA数据与基于实测法的CAMD数据计算结果之间的年度CO2排放量存在高达±10.8%的差异，发现前者相对后者具有更高的准确性。裴冰等[8]分别采用基于IPCC指南缺省值的排放因子法和实测法，对某320MW机组在不同负荷下的CO2排放量进行核算和测试，结果表明基于指南缺省值的排放因子法核算的CO2排放量与基于实测法的CO2排放量之间的相对偏差约为30%。

由此可见，不同碳计量的结果往往存在差异，尤其采用缺省值的排放因子法，与实测法的结果相比差异较大。究其原因，主要是由于实测法是基于特定发电机组或设施的实际排放数据进行测量，反映的是该特定情况下的确切排放情况，而缺省值的排放因子法采用的是一种更为通用的估算方法，是基于一系列标准或平均情况来设定排放因子，未能准确反映特定设施或条件下的实际排放情况，不能涵盖所有个体差异；同时，还可能是由于它们在数据来源、考虑的具体性与通用性及可适用性方面本质的区别所导致。

3研究展望

近年来，我国碳排放计量体系正朝着“核算为主，监测为辅”的核算模式迈进。在国际上，排放因子法因其广泛的适用性和相对简单的计算流程而被普遍采用。然而，若直接应用IPCC指南缺省值来计算我国的燃煤电厂碳排放，可能会导致较为显著的误差。质量平衡法需要通过构建碳平衡才能计算燃煤电厂的碳排放量，计算步骤较为复杂，且需数据完整。实测法可提供更准确的碳排放数据，但其准确性受到测量技术、设备校准、数据处理等因素的影响。

通过对比分析，核算法的误差主要源于排放因子的准确性不足，实测法的误差主要源于对烟气流量和CO2浓度测量的准确性不足。未来可从3个方面开展研究，即①深度分析核算方法中的不确定性因素，以便对核算法和在线监测技术进行改进和优化；②建立碳排放基础数据库，利用先进技术进行实时数据分析和更新，提高排放因子的准确性和适用性，降低碳计量误差；③ 建立统一、科学的燃煤电厂碳排放核算体系，研究开发相关碳核算法律法规、标准、技术规范，或建立各碳计量方法结果之间相互换算的方法，利于各国各地区开展谈判和履约。

结语

通过对燃煤电厂碳计量方法进行深入探讨与分析，寻找更有效的碳排放监测与评估手段，可支持燃煤电厂在减碳转型的道路上取得实质性进展。研究表明，准确、高效的碳计量对于实现“双碳”目标具有不可或缺的作用，尽管目前的碳计量方法已取得一定成果，但仍面临着标准化不足、技术手段有限和数据管理复杂等挑战，需要进一步改进和完善。通过上述研究，期望为碳计量方法的改进和燃煤电厂的碳减排提供理论支持和实践指导，共同推动能源产业的可持续发展，为实现“双碳”目标贡献力量。

参考文献

[1]王萍萍，赵永椿，张军营，等.“双碳”目标下燃煤电厂碳计量方法研究进展[J].洁净煤技，2022，28（10）：170-183.

[2] JEON E C， MYEONG S， SAJ W， et al. Greenhouse Gas Emission Factor Development For Coal-fired Power Plants in Korea[J]. Applied Energy， 2010， 87（01）： 205-210.

[3]段升飞.固体燃料燃烧产生多环芳烃及含氧多环芳烃排放因子与排放特征的研究[D].济南：山东大学，2021.

[4]谭超.燃煤电厂碳排放监测方法研究[D].广州：华南理工大学，2018.

[5] SCHIVLEY G， AZEVEDO I， SAMARAS C. Assessing the Evolution of Power Sector Carbon Intensity in the United States[J]. Environmental Research Letters，2018，13（06）：064018.

[6] ACKERMAN K V， SUNDQUIST E T. Comparison of Two U. S.Power-plant Carbon Dioxide Emissions Data sets[J].Environmen tal Science amp; Technology， 2008， 42：5688-5693.

[7] QUICK J C. Carbon Dioxide Emission Tallies for 210 US Coal-fired Power Plants： A Comparison of Two Accounting Methods[J].Journal of the Air amp; Waste Management Association，2014，64（01）：73-79.

[8]裴冰，刘通浩，杨文雨，等.典型燃煤电厂机组二氧化碳排放测试及核算研究[J].中国环境监测，

2023，39（02）：225-231.

作者简介

李惠（1989—），女，汉族，湖南澧县人，讲师，工程师，硕士，研究方向为环境科学。

加工编辑：冯为为

收稿日期：2024-03-28