如何开展碳监测？技术难点又在哪里？

赵敏 0 2022-02-15

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为落实碳达峰目标和碳中和愿景，按照生态环境部安排，中国环境监测总站成立了碳监测工作组（以下简称工作组），在全国牵头率先开展系统的碳监测调研、方案设计和试点工作。碳监测的技术难点在哪？目前有哪些进展？以及碳排放的监测方法及其使用情况。

什么是碳监测

碳监测是指通过综合观测、数值模拟、统计分析等手段，获取温室气体排放强度、环境中浓度、生态系统碳汇以及对生态系统影响等碳源汇状况及其变化趋势信息，以服务于应对气候变化研究和管理工作的过程。主要监测对象为《京都议定书》和《多哈修正案》中规定控制的7种人为活动排放的温室气体，包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟化碳（HFCs）、全氟化碳（PFCs）、六氟化硫（SF6）和三氟化氮（NF3）。

碳监测难点在哪？怎样保证数据准确性？

相对于常规污染物监测，碳监测技术难点主要在于对监测数据的准确度要求非常高。工作组负责监测技术和质量控制的成员师耀龙进一步解释，“环境浓度监测方面，以WMO组建的GAW监测网为例，其对背景空气CO2在线监测的可比性要求为0.1ppm，而一般情况下CO2在环境中的实际浓度是400ppm左右，这就要求两套监测系统间结果差异要低于万分之2.5，可以说是目前所有环境监测项目中对监测数据准确度要求最高的一类项目。”

拿排放监测来说，温室气体排放形式更加复杂，既包括点源排放，又包括逸散排放，既包括生产工艺排放，又包括治理设施排放；排放浓度范围更大，由于多数现场没有针对温室气体的治理设施，温室气体排放水平与原辅料密切相关；对废气流量监测准确性需求也更高。“我们对常规污染物主要关注其排放浓度是否超标，对温室气体主要关注其排放总量，这就要求我们能够准确测定气体流量。而多数废气现场直管段长度不足，流速不均，且流速监测设备难以实现现场校准和溯源，这些因素都会影响流量监测准确性。”刘通浩补充道。

此外，部分温室气体监测存在较大技术难度。师耀龙分析指出，“如碳14同位素为指示CO2来源的重要同位素，但由于其不是稳定同位素，浓度极低，需要采用加速器质谱等大型仪器开展监测，并配套相应的采样方法，需要大量的经费、人员和场地保障。”

为保障监测准确，需要从量值溯源和标准化两方面着手。一是要建立国际等效可比、国内高精度传递的量值溯源/传递技术体系，即统一温室气体监测的“度量衡”，特别是要跟国际公认的温室气体监测“度量衡”等效可比。二是要在仪器、点位布置、自动监测等方面加强标准化工作。工作组介绍，我国研制的CO2、CH4和N2O超高精度标准气体在相关国际比对中，已与WMO所属GAW监测网三种“标尺”气体量值等效可比，为下一步建立我国温室气体“标尺”并开展各类温室气体监测质量控制和标校工作奠定了技术基础。

碳排放的监测方法

目前碳排放的监测方法，分为两种。一种是核算法，一种是在线监测法。

核算法也叫物料核算法，目前中国主要采用此方法。核算法是根据煤炭等燃料的使用量多少，来推测出碳排放量。欧洲是核算法和在线监测法并列，美国则重点使用在线监测法。在线监测法也叫CEMS，是英文Continuous Emission Monitoring System的缩写，指对大气污染源排放的气态污染物和颗粒物进行浓度和排放总量连续监测，并将信息实时传输到主管部门的装置。

核算法与CEMS相比，弊端有二：一是测量误差较大，二是容易造假。全球要想真正落实有信任度的碳排放，以及实现碳资产交易的公平，必须要有统一的在线监测办法才行。只有标准统一，各国才能互相信任。这是实现“碳中和”目标的技术前提。如果标准不统一，各国之间就会出现不断扯皮的事情，实现碳中和就会遥遥无期。

由于欧美发达国家使用CEMS比较多，碳中和又是发达国家首先提出来的，因此在全球相互协调的大背景下，未来碳排放的监测标准更倾向于CEMS。对于中国来说，今后推广CEMS碳排放监测的预期还是比较强的，这也是国内未来发展趋势。

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一、CEMS系统的运行原理

烟气在线监测系统（CEMS）是许多大型工厂正常运行和环保数据监测传输的重要在线监测系统，主要应用在火力发电、供热锅炉、水泥建材和金属冶炼等行业。CEMS主要由烟气成分分析单元，烟尘浓度监测单元，流量监测单元，数据采集、处理及控制单元组成。主要监测参数为SO2、NOx、O2以及烟气流速、温度、压力、湿度、粉尘浓度等。

其运行原理是通过加热抽取法（抽取冷凝法）将烟道中气体取出并输送到预处理单元，预处理单元将烟道中的气体经预处理后送入分析仪表。通过在线气体分析仪表（烟气分析仪）对烟气中多种污染物进行连续监测，将测量数据显示在仪表上，最后通过环保数采仪或VPN将监测数据实时传到环保监控网络。

二、CEMS维护过程中的注意事项

为保证CEMS测量数据准确可靠，每天巡视检查CEMS各设备的工作情况，查看历史数据和数据报表，及时发现和排除设备存在的异常，提高系统的可靠性。需要做好以下日常维护保养工作：

1、加热装置和制冷装置

加热装置和制冷装置是保护烟气分析仪的重要设备，是日常巡视和维护的重点关注对象。加热装置温度一般控制在130℃左右，在没有加热的情况下，烟气中水分进入分析仪，造成滤芯堵塞，分析仪损坏等，同时管路中形成酸雾，直接影响测量结果；制冷装置温度一般控制在4℃左右，如果冷凝器温度只能达到6℃及以上时需要进行维修或者更换。

2、蠕动泵检查

蠕动泵用于排出制冷器冷凝筒内的水和密封取样气路。如果蠕动泵长时间不工作，冷凝水会进入采样泵和分析仪，造成设备损坏。

3、反吹系统检查

反吹系统检查时，检查反吹气源压力是否在正常范围内。手动反吹时，将系统切至维护状态进行反吹。自动反吹是在PLC控制系统中设置好反吹时间并将测量数据进行保持，不会因反吹而发生控制系统调节异常或者设备损坏。

4、烟气分析仪的定期标定

烟气分析仪需要定期进行零点和量程标定。CEMS监测站房都配有每种被测介质因子的高中低三种浓度的标准气体和高纯氮，标定完毕通入另一浓度的标准气进行比对。标定周期为每半年至少一次。自动零点校准根据现场设备实际情况设置为8-12个小时自动进行一次零点标定，避免出现零点漂移，保证分析测量的准确性。

5、参数量程的一致性

在分析仪和标准气体的选择方面要注意，分析仪量程要根据烟气中所测介质因子的设计浓度来选择，量程不应超过污染源排放允许限值的两到三倍，保证烟气分析仪所测量数据的准确度；标准气体的选择要根据分析仪的量程和所测介质因子通常浓度来选择，不宜过高或者过低（量程的80%-100%以内）。上位机、PLC及数据采集仪的量程设置应保持一致。

三、运行过程中常见故障及解决方法

烟气在线监测系统作为一个重要监控系统，其复杂程度不小，系统内部环环相扣，每一个小故障都可致整个系统出现大问题。

1、温度、压力、流量、湿度数据异常

检查相应的测量元件是否正常，取样管路是否畅通。

2、颗粒物测量值异常

检查粉尘仪电源是否正常、粉尘仪是否损坏；检查探头镜片是否洁净，否则进行清洁处理；吹扫压缩空气是否正常投入。

3、样气流量异常

流量异常一般是流量低于正常值或无流量显示。检查转子流量计是否存在卡塞；转子流量计正常，则检查整个取样管路是否漏点或堵塞。

4、数据异常的原因分析及处理

根据监控系统流程，任一环节故障均会导致测量数据异常。当出现数据异常的情况，根据实际情况，做出初步判断，从故障可能性最大的部件开始进行逐项排查，直至设备运行正常。

烟气分析仪显示氧量超过或者低于正常值

出现氧量测量值高出正常值时，检查取样管路是否存在泄漏；氧量低或者无显示时检查氧量传感器是否正常，否则予以更换。