張亮：十年磨一劍，研制“雙碳”戰(zhàn)略下碳監(jiān)測的國家標尺

2022.1.29

　　中國計量科學研究院（簡稱：中國計量院）為國家最高計量科學研究中心和國家級法定計量技術機構，擔負著確保國家量值統(tǒng)一和國際一致、保持國家最高測量能力、支撐國家發(fā)展質量提升等使命。實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”，是以習近平同志為核心的黨中央統(tǒng)籌國內國際兩個大局作出的重大戰(zhàn)略決策，而實現(xiàn)對企業(yè)污染物和溫室氣體排放的精準測量，不僅是我國市場監(jiān)管的重要依據(jù)，更對我國“雙碳”策略實施起到至關重要的作用。近日，分析測試百科網(wǎng)采訪了中國計量科學院副研究員、鄭州中心排放源計量所所長張亮博士，他分享了我國環(huán)境污染物和溫室氣體排放精準監(jiān)測方面的進展與成果。

中國計量科學研究院副研究員、現(xiàn)任鄭州中心排放源計量所所長張亮

10年磨一劍，解決CEMS測量的準確性

　　2010年，張亮從清華大學熱能工程系（現(xiàn)更名：能源與動力能源工程系）博士畢業(yè)，面對眾多就業(yè)機會，張亮選擇了計量院，從事了與自己博士研究課題更接近的污染物測量研究工作。研究工作的持續(xù)性，是張亮日后工作取得突破性進展的一個重要因素。

　　張亮介紹說，監(jiān)管部門監(jiān)測污染物或溫室氣體排放，使用煙道連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）可以實時獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括：包括：SO₂、NOx、顆粒物、含氧量、溫度、濕度、流量等，利于環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測。同時，CEMS也是《HJ 76-2017 固定污染源煙氣（SO₂、NOX、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術要求及檢測方法》和《HJ 75-2017 固定污染源煙氣（SO₂、NOX、顆粒物）排放連續(xù)監(jiān)測技術規(guī)范》規(guī)定的標準方法。

　　但當前監(jiān)測的難點是：CEMS的在線檢測結果，與便攜式裝備檢測數(shù)據(jù)比對時存在非常明顯的差異。所以包括環(huán)保部門在內，普遍認為CEMS獲得數(shù)據(jù)結果的可靠性令人質疑，直接影響了其作為市場監(jiān)管和執(zhí)法依據(jù)的實施。

　　從2012年開始，張亮花了10年的時間來解決CEMS準確性問題，后來還與美國國家標準技術研究院NIST合作，開展了“排放源的測量” 研究。最后的研究成果，可以把CEMS測值偏差控制在5%以內，相比以前有了質的飛躍。

建立流量計量標準模型，提高CEMS的流量檢測準確性

　　理想狀況下，某一物質單位時間的排放量等于其所在流體流量乘以其在流體中的濃度。首先要攻克流量測定不準確的難題。張亮介紹說：CEMS測量結果依據(jù)是實驗室中的理想模型，但在實際煙道中的情況遠復雜于理想模型。點流速測量的復雜性主要來源于三大因素：首先，實驗室僅采用軸向流速風洞模型，在實際復雜體系中，校準系數(shù)會發(fā)生很大變化。其次，實驗室在低湍流度風洞中進行校準，在實際高湍流度的煙氣中使用時偏離較大。第三，是實際氣體流場的俯仰角和偏航角不同于實驗室模擬情況。上述因素造成了30-50%的測量偏差。同時，在實驗室僅校正了點流速，在現(xiàn)場比對時要獲得的是截面平均流速，積分的準確度此前也沒有考慮。

　　在解決點流速測量準確度方面，張亮團隊研制了非對象三維皮托管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的皮托管，將點流速的測量準確度提高到1%，取得了突破性的進步。該技術還可直接插入測量，無需多次旋轉操作，大幅提高了測試速度。

　　團隊還建立了三維皮托管的量值傳遞體系。首先使用轉盤的轉速，然后溯源給激光多普勒LDA的速度，再用LDA在煙道流速計量標準裝置中，對三維皮托管測定的點流速在不同角度下進行校準。一根三維皮托管需校準4000個不同的工況，保證數(shù)據(jù)的準確性。

　　在此基礎上，團隊搭建了煙道流速計量標準裝置，可模擬不同的煙氣條件進行校準，通過改變內部的溫度、含水量、氣體成分、湍流度、流速等相關參數(shù)，模擬真實的煙氣條件，實現(xiàn)流速測定的準確度達到1%。

　　考慮平均流速方面，團隊搭建了一套煙道流量計量標準裝置，對積分方法進行不同的驗證和研究，建立了從點流速到面平均流速的積分方法，并能夠評估不同測量方法的準確性。團隊還研制了煙道流量現(xiàn)場校準裝置，確保便攜設備的準確性，從而實現(xiàn)了實驗室的計量裝置量傳到現(xiàn)場計量裝置，現(xiàn)場計量裝置，再對廠區(qū)CEMS進行比對，保證CEMS的數(shù)據(jù)準確性。

圖1 煙道流量計量標準裝置

　　該煙道流量計量標準裝置基于高分辨率的激光多普勒技術，實現(xiàn)了高精度原值流量的測量，不確定度為4.2‰，未來有望繼續(xù)提升到3.3‰。同時，它是國內唯一測量流量范圍超過4萬立方米/小時的裝置，達到19萬立方米/小時；而通過第2級量值傳遞到現(xiàn)場后，流量范圍可擴展到1000萬立方米/小時，實現(xiàn)現(xiàn)場煙道流量的校準。

　　團隊研制的這套煙道流量量值傳遞系統(tǒng)，在國際上處于前兩位的水平，僅有美國NIST和中國計量院具有相關技術能力。張亮表示：未來我們還將探索基于聲學的方式進行現(xiàn)場測量，有望實現(xiàn)國際的首次突破。

研發(fā)含水標氣提升濃度測定的準確度

　　在濃度測量方面，傳統(tǒng)使用干標氣對CEMS進行校準。但實際煙氣中水蒸氣含量有時高達30%。當前CEMS類監(jiān)測儀器多使用基于紅外或者紫外吸收光譜的方法來測量，水的存在對實際測量產(chǎn)生很大干擾，煙氣中的水份是自然誤差的主要來源。比如先用干標氣標定，加入5%~15%的水蒸汽后再次標定，結果偏差達到20%~30%。張亮團隊研制了一套含水標氣的發(fā)生系統(tǒng)，大幅提升了煙氣濃度測量的準確度。

研制煙氣顆粒物濃度校準設備

　　在顆粒物測量方面，CEMS和便攜設備的比對存在類似問題。當前CMES通過等速采樣的方式采集顆粒物，采樣口抽氣的流速默認等于煙道中的流速。但當流速并不沿軸向時會存在兩個問題，首先，現(xiàn)有的顆粒物采樣器，在使用S型皮托管進行流速測量時，可能存在30%~50%的偏差，這造成等速采樣時采樣口流速沒有真正和煙氣流速相同。使用前述非對象三維皮托管，可提升流速測量數(shù)值的準確性，實現(xiàn)真正的等速。

　　其次，當氣流并不是垂直采樣口截面時，等速采樣的方法是否還有效？張亮團隊正在搭建一套顆粒物濃度校準裝置，通過該裝置能夠定量地產(chǎn)生已知濃度的顆粒物，然后用該設備來比對現(xiàn)場的顆粒物采樣器，在不同的流速俯仰角和偏航角條件下進行校準。“未來，我們團隊將繼續(xù)優(yōu)化現(xiàn)場顆粒物采樣器的準確度，整體提升CEMS的準確性。”張亮說到。

圖2 煙道流量計量標準裝置

應用反演模型，“自上而下”實現(xiàn)對無組織排放的精準測量

對非組織排放量和位點的確定

　　無組織排放指大氣污染物不經(jīng)過排氣筒的無規(guī)則排放。我國企業(yè)無組織排放數(shù)量極為可觀，并且污染來源廣泛。環(huán)境監(jiān)測部門長期以來一直沒有有效手段來監(jiān)測企業(yè)的無組織排放量和排放位點。

　　為解決這一難題，張亮團隊基于小區(qū)域反演模型開發(fā)了無組織排放測量方法：通過在排放企業(yè)周圍建立4到5個大氣濃度監(jiān)測點和一個小型便攜式氣象站，對大氣中二氧化硫、氮氧化物、顆粒物或VOCs進行連續(xù)在線濃度監(jiān)測。通過小區(qū)域反演模型，能夠計算出企業(yè)無組織排放的位置，以及每個位置的排放量。測量位置的精度可達25米，排放量的精度達到10%~15%。為了對該方法進一步校準，團隊還研制了可控釋放裝置對無組織排放測量系統(tǒng)進行在線校準。

圖3 車載監(jiān)測系統(tǒng)

　　此外，張亮團隊聯(lián)合英國國家物理研究所共同研制了移動差分吸收激光雷達系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)集成在車載集裝箱內，在抽查檢測時，開著移動監(jiān)測車，可以隨時隨地掃描和測量企業(yè)的無組織排放，對不同的監(jiān)測物質，其掃描半徑在1到10千米之間，基本可覆蓋一個廠區(qū)，不確定度約為20%，空間分辨率達到7米。大型工業(yè)園區(qū)可駕駛這輛“移動雷達”，在園區(qū)進行掃描、監(jiān)測。

　　基于這些先進檢測手段和研究思路，張亮團隊成功攻克了以前看似“無解”的技術難關，不僅實現(xiàn)了對無組織排放物的精準測量，還為城市大氣污染和溫室氣體排放工作打下基礎。

對城市污染物和溫室氣體的精確測定

　　通過將固定和移動監(jiān)測技術相綜合，張亮團隊建立了“城市大氣污染物和溫室氣體排放量的施工精準檢測技術”，該技術包含兩個方面：“自下而上”的排放清單測量和“自上而下”基于反演的測量。

　　如果將城市劃分為1km x 1km的網(wǎng)格，準確測定每個網(wǎng)格內1小時的污染物和溫室氣體排放量，就可以知道整個城市的排放量。因此需要列出一個明確的排放清單，以分清排放的主體。團隊只需要對排放清單中的企業(yè)排放、交通排放、居民排放等進行精準測量，便可獲得一份屬于網(wǎng)格中污染物或是溫室氣體排放的精準數(shù)據(jù)。

　　然而，獲得城市每一千米網(wǎng)格數(shù)據(jù)并不容易。以鄭州市為例，7568平方千米就意味著需要測量7567個網(wǎng)格，這意味著需要建立上萬個監(jiān)測站和龐大的數(shù)據(jù)量。“自上而下”的反演測量便解決了這一問題。

　　“我們只需要十幾個監(jiān)測站收集排放清單上各主體排放量的數(shù)據(jù)，再通過高空監(jiān)測站傳感器對城市整體污染物和溫室氣體濃度的數(shù)據(jù)進行反演模型計算，進而獲得每個網(wǎng)格排放量。”張亮介紹道，“地面的自下而上數(shù)據(jù)清單作為初始數(shù)據(jù)，結合高空監(jiān)測站監(jiān)測濃度和相關參數(shù)進行修正，不斷迭代，最終獲得城市準確的排放數(shù)據(jù)。這就是‘自下而上’排放清單測量和‘自上而下’反演測量的意義。”

圖4 企業(yè)無組織排放量設點核查

　　目前，鄭州共有200家大中型企業(yè)，它們的排放量占鄭州市90%以上的工業(yè)排放量。只要把這200家企業(yè)的排放量測準，就可以了解鄭州的主要工業(yè)排放情況。對于初始清單來說，準確度已經(jīng)足夠，接下來可通過反演迭代實現(xiàn)對排放清單的修正。

　　然而，這些企業(yè)雖然全部安裝CEMS系統(tǒng)，但受限于該系統(tǒng)缺陷，不能獲得準確的煙道數(shù)據(jù)和無組織排放數(shù)據(jù)。為此，在“城市大氣污染和溫室氣體排放量的施工精準檢測技術”一期項目中，張亮團隊通過前述手段對現(xiàn)有CEMS系統(tǒng)進行在線校準，配合小區(qū)域反演測量，得知80家重點企業(yè)占全市企業(yè)SO2、NOx和顆粒物排放總量的50%以上，占全市企業(yè)CO排放總量的27%，所測量企業(yè)具有較強代表性。同時發(fā)現(xiàn)濃度測量在企業(yè)CEMS排放量監(jiān)測值誤差來源中占主要部分，流量測量誤差影響較小。對于煙道流量測量誤差來源，流速測量誤差的貢獻最大，其次是截面面積和濕度，少量企業(yè)的煙氣溫度測量誤差的貢獻也比較大。在二期項目中，將對其余120家企業(yè)無組織排放進行測算，兩期數(shù)據(jù)將對鄭州市污染物和溫室氣體監(jiān)測做出技術支撐。此外，鄭州作為碳智慧試點城市之一，也受到了世界氣象組織WMO的認可。

　　測算城市污染物和溫室氣體一方面有利于城市環(huán)境監(jiān)管，在出現(xiàn)環(huán)境問題時明確責任主體，另一方面也是為了一個更長遠的、更有戰(zhàn)略意義的目標：“雙碳”。

聚焦“雙碳”，做好碳市場的“度量衡”

　　CEMS的精準測量和反演技術對中國實現(xiàn)“雙碳“目標有哪些意義？

支撐國家碳排放清單的數(shù)據(jù)

　　張亮首先回顧了國際和我國在減少碳排放量方面的發(fā)展歷程。1997年的《京都議定書》，要求發(fā)達國家從2005年開始承擔減少碳排放量的義務，而發(fā)展中國家從2012年開始承擔減排義務。2009年，中國政府宣布2020年單位GDP碳排放相比2005年下降40-45%，這是對相對減排量的承諾。

　　2015年在巴黎氣候變化大會達成的《巴黎協(xié)定》上，我國提出了中國二氧化碳排放2030年左右達到峰值（碳達峰）。2020年，我國提出2060年達到 “碳中和”的目標。

　　從發(fā)展歷程來看，我國從一個相對量的減排承諾發(fā)展成對絕對量的減排承諾，即2060年絕對排放量達到零值，這對碳數(shù)據(jù)質量的需求大幅提升。國家是否實現(xiàn)了碳達峰、碳中和，需依據(jù)該國的碳排放清單進行判斷。

　　國家碳排放清單的編制經(jīng)歷了幾代改進。從1996年發(fā)展到2019年最新的碳排放清單編制指南，有幾大升級。首先，需要企業(yè)級的數(shù)據(jù)（比如CEMS的數(shù)據(jù)）來支撐國家碳排放清單數(shù)據(jù)，不能僅使用國家的整體統(tǒng)計數(shù)據(jù)。其次，2019年指南明確提出了基于時空反演的方式來獲取區(qū)域的碳排放清單，這種全新的方式會作為基于傳統(tǒng)統(tǒng)計方法的替代、校準和修正方法。張亮團隊的成果對我國的碳排放清單數(shù)據(jù)可進行有力支撐。

碳市場的度量衡

　　對于每一個國家來說，實現(xiàn)溫室氣體減排的主要工具是碳市場。它有兩個主要的功能：首先是降低企業(yè)減排的成本，通過企業(yè)間市場交易的手段，最終大幅降低國家減排的成本。其次，可以對低碳技術進行投融資支撐。

圖5 碳交易市場的MRV方法

　　從各國來看，碳市場的交易主體是企業(yè)，比如我國參與碳市場的主要是電力企業(yè)。在碳市場交易的過程中，工業(yè)企業(yè)的排放量數(shù)據(jù)就是它的交易指標，數(shù)據(jù)的準確度就非常重要。如果碳排放量的數(shù)據(jù)偏差10%，對企業(yè)意味著上億元費用的差異，一個企業(yè)將馬上從盈利變?yōu)樘潛p。因此碳排放量測量的準確性，對于企業(yè)的發(fā)展和公平競爭至關重要。

　　碳排放的測量，可使用傳統(tǒng)燃料核算的方式，也可使用CEMS等排放直接測量的方式。張亮團隊比較評估了已測量的80家企業(yè)，燃料核算數(shù)據(jù)比直接測量的數(shù)據(jù)要高很多，甚至高達67%。數(shù)據(jù)質量造成的偏差，將對企業(yè)產(chǎn)生非常大的經(jīng)濟利益影響。當前，美國和歐洲，都逐漸從燃料核算法漸漸過渡到兩種方法均可。

　　張亮表示：“希望我們能夠作為中國碳市場的度量衡；希望能夠用我們的相關技術，支撐國家碳市場的健康發(fā)展。”

對碳關稅的技術支撐

　　美國和歐洲都已經(jīng)提出碳關稅的概念，碳價格比較低的國家生產(chǎn)的產(chǎn)品，賣到歐美等國后，需要交相應的碳關稅，即如果中國碳價是50元人民幣一噸，歐洲可能是50歐元一噸，這時出口企業(yè)需補差價，包括兩個國家碳價的差異，還需乘以單位產(chǎn)品的碳排放量，即企業(yè)的碳排放量除以生產(chǎn)的產(chǎn)品量。

　　碳關稅需要國際互認，碳排放量要求報告的一噸必須是排放一噸。假如歐洲不認可中國的數(shù)據(jù)，將采用歐洲同行業(yè)排放量最大的10%的企業(yè)的平均值來估算產(chǎn)品的排放量。因此，如果我們的測量不精準，無法獲得國際互認的排放數(shù)據(jù)，將會在國家談判和交易中吃虧。

　　張亮表示：作為碳市場的度量衡，我們實現(xiàn)了精準的碳排放測量；同時希望將我們的數(shù)據(jù)通過計量系統(tǒng)的國際比對，各國家計量院之間的國際比對，能夠實現(xiàn)碳數(shù)據(jù)的國際互認。

　　此外，國際上很多碳市場也進行碳市場之間的鏈接，比如將碳排放賣到EUETS歐洲碳交易系統(tǒng)中。當前，我國的碳市場還沒有同別的國家進行鏈接，其中一個主要的原因就是我國的碳數(shù)據(jù)準確性還不夠高。因此，碳數(shù)據(jù)質量是國際碳市場鏈接的一個必要的前提條件。

　　中國計量院的核心作用，就是要保證國家整個量值的準確性，其中就包括貿易環(huán)節(jié)的準確性。在國家“雙碳“戰(zhàn)略中，計量院能夠提供兩大技術支撐：將數(shù)據(jù)測精準；解決以前無法測量的難題，比如對于城市碳排放，測定污染物是什么，從哪里排放出來。

聚焦鄭州，輻射全國

　　談到未來的規(guī)劃，張亮表示：團隊將繼續(xù)以城市監(jiān)測、區(qū)域性排放的時空監(jiān)測為大的發(fā)展方向；在溫室氣體測量和污染物測量方面能夠對更多的城市、區(qū)縣、區(qū)域提供支撐；將國家的碳排放清單數(shù)據(jù)測定得更精準，支撐國家碳市場的健康發(fā)展。此外，團隊還將更多開展同環(huán)保部門的合作，并支持更多標準的制定。

　　當前，張亮團隊的城市監(jiān)測項目落地鄭州，已作為國際氣象組織（VMO）碳智慧城市的十幾個試點城市之一，開展“自上而下“基于反演的這種精準測量技術，該技術在美國的4個大城市已經(jīng)得到驗證。張亮表示：”希望該技術能夠向更多的城市推廣和應用，保證更多城市的數(shù)據(jù)準確性，并為當?shù)卣峁┫鄳募夹g支撐，這是我們的一個主要目標。“

人物簡介

　　張亮，中國計量科學研究院副研究員，現(xiàn)任鄭州中心排放源計量所所長。

　　長期從事企業(yè)有組織排放和無組織排放計量裝置的研制和計量方法研究，搭建了我國實驗室煙道流量計量標準裝置，測量不確定度達到世界領先水平。和美國國家標準與技術研究院NIST、韓國國家計量院KRISS進行國際比對獲得良好的數(shù)據(jù)一致性。研制了高準確度煙道流量現(xiàn)場比對校準裝置，測量不確定度比傳統(tǒng)方法提高一個數(shù)量級，初步建立了煙道流量完整的量值溯源體系。獲得省部級獎項2項，作為負責人和第一參加人承擔國家重點研發(fā)計劃課題和國家科技支撐計劃課題3項，負責其它項目和課題4項。發(fā)表論文二十余篇，申請發(fā)明ZL5項，撰寫軟件著作權5項，參與撰寫國家標準5項。

計量院張亮精準監(jiān)測

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