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大气CO2含量大幅增加是全球变暖的主要原因[1-2]，观测资料表明，全球大气CO2平均体积分数从工业革命前2.80×10−4已增加到了2023年的4.21×10−4[3]。CO2的温室效应导致全球气候变暖，据世界气象组织报道，2021年全球平均气温比工业化前增加 (1.11±0.13) ℃，并对全球环境与人类生活造成了很大危害[4-5]。为此，2016年170多个国家签署《巴黎协定》，要求将全球气温升幅控制在2 ℃以内，并争取限定在1.5 ℃。实现该目标，需在2030年将全球碳排放控制在2017年的49%以下，且在2050年达到碳中和[2]。为此，欧盟、英国、加拿大等发达国家相继计划在2050年实现碳中和[3, 6-8]。我国政府承诺力争2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”。
化石能源的使用是大气CO2排放增加的主要原因。据2019年统计，化石能源燃烧排放的CO2占全球72%温室气体及92%的CO2排放[9]。在中国，2020年化石能源燃烧排放的CO2占全部排放的93%[10]。而大多数化石能源用于火电、炼钢、化工、水泥等固定工业场所，如2022年CO2排放量数据表明，电厂排放占全球39.3%，工业排放占28.9% [11-12]。据统计，在中国，单个排放量在10×104~450×104 t的大型固定CO2排放源超过1 600个[13]，其排放量超过全国排放量的60%[14]。因此，实时掌握这些大型固定源的CO2排放量是制定碳减排措施，实现“碳达峰”与“碳中和”的关键，也是推进碳交易、产品碳足迹及碳税等机制的前提。
事实上，化石能源使用过程排放的废气中除了含有CO2，还伴随二氧化硫 (SO2) 、氮氧化物 (NOx) 、颗粒和汞等对环境影响更严重的污染物。目前，早已对固定污染源废气中SO2、NOx、颗粒等污染物排放的在线监测 (CEMS) 有强制要求，并有相应的监测技术规范与标准，如中国的《固定污染源烟气 (SO2、NOx、颗粒物) 排放连续监测技术规范》 (HJ 75-2017) [15]、美国的《Title 40 of the CFR Part 75 Continuous Emission Monitoring》[16]、欧盟的《Stationary source emissions - Guidance on the application of EN ISO
16911 -1》 (PD CEN/TR17078 :2017) [17]等。然而，对于SO2、NxO、颗粒和汞等污染物监测主要用于污染的管控，更多要求废气中污染物浓度的监测精度，而CO2排放量监测需求未来将主要是碳核查与交易，对排放总量的监测精度有更高的需求。然而，目前尚缺少相关技术及标准体系满足上述需求。因此，本研究在现有CEMS技术的基础上，分析固定源废气中CO2排放量监测所涉及的监测参数及技术方法特点，探讨各参数对碳排放总量精度的影响，并以碳核查或交易为目标，探讨所需的监测技术与解决措施，为提高碳排放监测精度提供理论支撑。 -
与SO2、NxO等污染物监测一样，固定污染源CO2排放在线监测主要涉及废气的流量、压力、温度、湿度和污染物浓度这5个参数。目前在CEMS中，流量、压力、温度及湿度测量常通过在烟气流动稳定的管段安装监测探头进行直接测量，如HJ 75-2017与美国Title 40 of the CFR Part 60标准中都要求监测点位置应避开烟道弯头和断面急剧变化的部位，要求圆形烟道中颗粒物与流速监测应设置在弯头、阀门、变径等扰动部件下游大于4倍及上游大于2倍烟道直径处。气体污染物监测点设置在上述部件的下游大于2倍直径及上游大于0.5倍烟道直径处[15-16]。
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气体污染物的浓度的监测包括原位监测法及取样测量法。原位监测设备结构耐用性要求高，一般是安装在密封坚固的机柜里以防止极端温度、湿度及腐蚀性气体对监测设备影响。但是由于其直接安装在烟道或烟道旁，设备维护替换难度大，且受现场复杂环境影响，探头易被污染与堵塞，监测系统稳定性差，因此很难实现本文所讨论的碳排放高精度监测目标。相比于取样测量法，原位监测法虽然避免了取样点到气体分析系统之间的气体传输管路，但多了地面到监测点的校标气体传输管路[18]。美国SO2与NOx气体监测约1%~2%的CEMS采用原位监测法[19]，中国气体污染物监测采用原位监测法约占10%[20]。目前气体污染物浓度监测主要是通过取样法，即在监测探头处设置取样口，将气体通过采样管抽取至分析仪器室进行净化后测量其浓度，这样就使监测仪器避免了烟气高温、高流速、高压力、颗粒物、腐蚀物质及水汽对监测结果的影响[18]，确保监测结果精度。
按气体抽取方法不同，取样测量法可分为完全抽取法与稀释抽取法。完全抽取法是直接完全抽取烟道中烟气，并通过伴热管路传输至地面的气体分析仪器。根据气体分析是否去除烟气中水汽，又可将其分为冷干法和热湿法。冷干法是在烟气进入气体分析仪前对其进行干燥预处理，因此，所测气体浓度为干基体积分数。而热湿法则是保持烟气在露点温度以上，未去除其所含水汽直接进入气体分析仪进行测量，目前很少仪器使用该方法，以冷干法居多。稀释抽取法则是采用洁净的干空气将烟气稀释至露点以下，通常采用的稀释比是50∶1到300∶1，美国Title 40 of the CFR Part 75推荐采用稀释比是100∶1[16, 19]。我国气体取样法中完全抽取法约占78%，占比较大[20]。而在美国，稀释抽取法应用广泛，SO2与NOx气体采样监测中，稀释抽取法分别约占90%与48%[19]。取样法未来将是固定源CO2排放在线高精度监测技术的主要方法。不同取样方法技术特点对比如表1所示。相对于SO2、氨气 (NH3) 、氯化氢 (HCl) 气体等易溶解性气体，CO2气体溶解性较小，冷干过程对其体积分数影响较小[21]。另外，CO2浓度在线监测常采用光谱法分析，该方法精度易受水汽影响[22]。冷干完全抽取法可能将被固定源CO2排放高精度监测广泛采用。
气体CO2浓度测量常用方法包括化学滴定法、气相色谱法、电化学传感器法及光学法，其中，电化学传感法与光谱法能够进行在线连续监测。电化学传感器法易受污染与钝化，测量稳定性与精度很难保证。目前，光学法在CO2浓度测量中得到了广泛应用，形成了包括非分散红外吸收法 (NDIR) 、傅立叶变换红外吸收光谱法 (FTIR) 、可调谐激光吸收光谱法 (TDLAS) 、光腔衰荡光谱法 (CRDS) 等多种气体分析技术[24-26]。其中，NDIR具有成本低、响应速度快、稳定性好及精度高等优点[27]，是目前固定源废气CO2连续监测最常用方法[23, 28]。该技术监测基本原理是利用CO2对特定波长 (4.26 μm) 的红外光具有选择性吸收，且吸收值与CO2浓度遵循朗伯-比尔定律，从而确定样品中CO2的体积分数。但该方法易受温度影响，水汽对其测量干扰较大，因此，在测量前需对烟气进行干燥除湿，对于SO2、一氧化氮 (NO) 、一氧化碳 (CO) 等对测量造成的轻微干扰可通过安装滤波片、采用气室滤波等方法避免。目前，该类CO2气体分析仪精度均能达到±1.5%FS以上[28]。《火电厂烟气二氧化碳排放连续监测技术规范》 (DL/T
2376 -2021) 中CO2体积分数连续监测准确度要求监测值与参比方法相对准确度≤5%[20]。美国Title 40 of the CFR Part 75要求CO2监测相对准确度≤10%[16]。 -
温度是烟气物理状态计算的重要参数，其在线测量技术包括热电阻与热电偶温度计，目前CEMS采用热电阻较多。A、B、C级热电阻传感器精度等级分别为±(0.15+0.2%FS) 、±(0.3+0.5%FS) 、±(0.6+1%FS) 。在具体实施规范中，《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》 (GB/T16157-1996) 及《固定污染源烟气 (SO2、NOX、颗粒物) 排放连续监测技术规范》 (HJ 75-2017) 要求温度精确度绝对误差不超过±3 ℃[15, 29]，美国Title 40 CFR Part75要求相对误差不超过±1.5%[16]。
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烟气SO2、NOx等污染物监测时，流速监测主要采用皮托管流量计。皮托管流量计常见有L型与S型，主要通过测量皮托管的总压与静压的差压，并根据压差与流速之间遵循伯努利定理计算出该点的流速。因此，在皮托管流量计监测烟气流速时，同时获得烟气静压力参数，所以在很多固定源废气污染物监测中，对于烟气压力监测精度没有特别规定。《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》 (GB/T16157-1996) 在关于排气流速、流量测定规定中，对皮托管及用于压差测量的斜管微压计与U型压力计参数进行了规定。该规范要求用于测定静压的U型压力计最小分度值应不大于10 Pa[29]。U型压力计一般适用于手动测量，而在线监测一般采用电子压差计。电子压差计即可以直接采集压力数据，避免目视读数误差，在皮托管流速计常遇的低压差条件下 (<0.5 KPa) ，表现出比U型压力计更优性能[30]。压力传感器准确度等级为0.01到5.0等级[31]，目前，皮托管流量计所配的电子压差计常见精度等级为0.5级、1.0级、2.5级，即准确度分别对应±0.25%FS、±0.5%FS及±1%FS。但是随着超声波、光闪烁等流速监测方法的兴起，流体压力无法从这两种流速监测参数中获得，因此，烟气压力参数需要单独测量，从而产生了压力式及压差式烟气压力监测方式。压差式即监测烟气静压与大气压的压差，压力式即直接监测烟气压力。
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烟气水汽没有污染性，但其含量是计算烟气污染物含量的重要参数。《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》 (GB/T16157-1996) 规范了烟气含湿量冷凝法、干湿球法及重量法测量过程。CEMS目前主要采用的是干湿氧法和阻容法。阻容法原理是利用烟气水分渗透扩散至电容湿敏元件引起阻抗变化，根据湿度与阻容值函数关系直接测量烟气排气中的水分。干湿氧法通过氧化锆检测器测定烟道的湿氧含量和在烟气分析仪中内置的氧传感器测定的经脱水后的干氧含量，根据标准换算方法得到烟气湿度。目前阻容式及干湿氧湿度计精度能达到±1.5%FS或±2.0%FS。《固定污染源废气湿度的测定 阻容法》 (T/SSESB 1-2020) 标准制定过程中，通过6家验证实验室对湿度为2.82%~3.04%的工艺废气、湿度为13.3%~14.5%的电厂废气及湿度为19.7%~21.9%的生活垃圾焚烧厂废气进行的阻容式湿度计监测对比验证，表明实验室内相对标准偏差分别为0.63%~1.27%、1.01%~2.41%和2.04%~2.87%，实验室间相对标准偏差分别为2.09%、1.45%和1.60%。对湿度为4.0%、18.0%和28.0%的标准湿气进行测定，相对误差分别为−4.95%~5.02%、−0.39%~2.91%和−1.47%~3.23%[32]。
在监测规范中，《固定污染源烟气 (SO2、NOX、颗粒物) 排放连续监测技术规范》 (HJ 75-2017) 中要求湿度>5.0%时，与参比方法的相对误差不超过±25%；湿度≤5.0%时，绝对误差不超过±1.5%[15]。美国Title 40 CFR Part75要求湿度准确度为相对准确度≤10.0%或绝对误差不超过±1.5%中最小值[16]。
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在前期固定源废气污染物监测过程中，烟气流速监测主要采用皮托管流量计，标准与规范也主要基于该方法制定。皮托管流量计由皮托管与微压计组成，其监测流速由直接测量值与皮托管校准系数修正而来，目前我国规范主要采用激光多普勒测速仪为流速测量标准[33]。杨美昭等[34]通过中国计量科学研究院、美国国家标准与技术研究院和韩国标准科学研究院参加的皮托管校准比对实验，表明S型皮托管在不同实验室间比对结果吻合度相对较差，不适合作为比对标准器；球形三维皮托管在不同实验室间比对结果吻合度高于棱形三维皮托管，流速校准系数差异对测量轴向流速的影响高于偏航角参考位置偏差与俯仰角校准系数差异造成的影响；皮托管的偏航角参考位置偏差和俯仰角校准系数差异造成的轴向流速差异在0.03%~0.90%，由于流速校准系数差异造成的轴向流速差异在1.9%~12.2%。皮托管流量计测量的是点流速，对应断面平均流速需由多点流速进行平均处理[29]。
美国国家标准与技术研究所设计了烟道模拟比例模型用于评价参比相对精确度、量化CEMS监测的性能表现以及评价新的烟道测量技术。该烟道模拟模型测试区段直径1.2 m，测试区可以产生5~26 m·s−1的气体流速，这也是工业尺度燃煤发电机组常见烟气流速范围，能够产生工业烟道常见的轴对称速度剖面的紊流、旋流等工况。该模拟模型不确度为0.7%，能够评价CEMS流速监测的绝对精度。气体被吸入该模拟模型后，在参比区段形成低旋、较一致的速度剖面，安装了8声道的超声波流速监测系统。该8声道超声波流速监测系统已证明能够高精度测量带有明显紊流与轴对称的流场速度。相比于参比区段，测试区段的速度场被设计为模拟烟道流复杂流场。在工业烟道现场，这些复杂流场主要来源于烟气流经的扇叶、缩颈及拐角的扰动。同样，在烟道模拟模型中，在测试段的流体通过急变拐角构建扰动流场。按照美国国家环境保护局规范要求，分别在低流速条件 (5.28 m·s−1) 与高流速条件 (23.29 m·s−1) 下，采用S型皮托管进行了12个测点、24个测点及48个测点的流速测试。结果表明 (如表2) S型皮托管测量流速都大于实际流速，产生的测量偏差为4.7%~6.6%。随着测点从12增加到48点，测点的增加提高了边界附近流速梯度陡变的识别，因而精度有所提高，但并不明显[35]。
在该验证实验中，美国国家标准与技术研究所还布置了3条测线超声波流速仪，其中2号与3号声道测线组成了过轴线的X型测线，测量装置及结果如图1所示，结果表明：声道1流速整个测试范围内偏差约6%；声道2流速偏大，且误差较大，范围在14%到17%；相比之下，声道3流速比实际值偏低14%到17%。由于X型安装的旋流补偿作用，声道2与3的偏差方向相反。但是将声道2与声道3的流速平均后，整个实验流速范围内，测量值与实际流速的偏差小于0.5%。
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通过对烟气温度、压力、湿度及CO2体积分数连续监测确定烟道中的废气的物理状态，并基于理想气体状态方程转换为标准条件下CO2排放量。标准状态下烟气CO2质量浓度按式(1)计算。
式中：
$ {C_{{\text{Sn}}}} $ 为标准状态下CO2质量浓度，kg·m−3；$ {C_{\text{S}}} $ 为测得的CO2体积分数。标准状态下CO2干基质量浓度和湿基质量浓度转换按式(2)计算。式中：
$ {C_{\text{d}}} $ 为标准状态下CO2干基质量浓度，kg·m−3；$ {C_{\text{w}}} $ 为标准状态下CO2湿基质量浓度，kg·m−3；$ {X_{{\text{SW}}}} $ 为烟气含湿量，以%表示。标准状态下干烟气体积流量按式(3)计算。
式中：
$ {Q_{{\text{Sn}}}} $ 为标准状态下干烟气体积流量，m3·h−1；$ {t_{\text{s}}} $ 为烟气温度， ℃；$ B_{\text{a}}^{} $ 为大气压，Pa；$ P_{\text{s}}^{} $ 为烟气静压 (表压) ，Pa；$ {Q_{\text{S}}} $ 为实际工况下湿烟气流量监测值，m3·h−1，通过式(4)计算。式中：
$ A $ 为测定断面的面积，单位为平方米 (m2) ；$ \overline {{V_{\text{S}}}} $ 为流速仪监测断面湿烟气平均流速，m·s−1。CO2排放质量流率按式(5)计算。
式中：
$ {G_{\text{h}}} $ 为烟气CO2排放质量流率，t·h−1。即 -
体积分数测量精度对CO2排放量整体监测精度的影响计算式(7)如下。
式中：Rc为体积分数精度影响下CO2排放量整体监测精度，%；
$ F{S_{\text{c}}} $ 为CO2分析仪满量程值；$ {\mu _{\text{c}}} $ 为CO2分析仪精度值，%。不同工业排放的烟气CO2体积分数有较大的差距，以燃煤电厂锅炉烟气为例，其CO2体积分数范围通常为10%~15%。以1.0级与1.5级精确度CO2气体分析仪进行监测，按照《火电厂烟气二氧化碳排放连续监测技术规范》要求[20]，采用20%~25%的上限量程对燃煤电厂烟气进行连续监测。图2为选用不同CO2体积分数量程条件下CO2监测值及其对应的总体排放量精度。由此看出，随着排放的气体中CO2体积分数与所选CO2气体分析仪器上限量程差值变大，所得到的测量值相对误差变大，并造成测得的CO2排放量值误差相应变大。1.5级精度的CO2气体分析仪所测量出的体积分数值精度值大部分处于2%以上，这也意味着1.5级精度的CO2气体分析仪无法满足CO2排放量1.5级或2.0级监测精度要求。而1.0级精度的CO2气体分析仪，当所测气体体积分数与上限量程接近时，其测量值误差较小，当测量值远离上限量程时，其测量值误差也将超过1.5%或2%。
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烟气温度测量精度对CO2排放量整体监测精度的影响计算式(8)如下。
式中：RT是温度精度影响下CO2排放量整体监测精度，%；
$ F{S_{{\text{ts}}}} $ 是烟气温度测量仪满量程值，$ {\mu _{{\text{ts}}}} $ 是烟气温度测量仪精度值，%。绝大多数工业烟气需要进行脱硫处理，目前最主要的方法为湿法脱硫，约占全世界85%[36]。经过湿法脱硫处理后，烟气的温度会下降，脱硫出口处的烟气温度约为45~60 ℃[37]。当然也有少量烟气采用其他方式进行脱硫或者不进行脱硫处理，这些烟气相对温度较高。为了最大限度地利用能源，常常对高温烟气进行能量再利用，最终排放的烟气温度约在80 ℃左右，通常不会超过150 ℃，因此讨论的烟气温度范围为40~60 ℃及70~150 ℃。以常见的B级与C级等级精度的热电阻传感器为例。分析采用目前CEMS常用的上限300 ℃温度传感器进行监测，对CO2排放量精度影响进行评价。图3为分别采用量程为300 ℃的B级与C级精度等级热电阻传感器所测温度及对应CO2排放量精度，表明通过B级与C级精度的温度传感器所测量的温度值计算出来的CO2排放量精度值都小于1.5%。
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烟气压力测量精度对CO2排放量整体监测精度的影响按式(9)计算。
式中：Rp为烟气压力精度影响下CO2排放总量监测精度，%；
$ F{S_{{\text{ps}}}} $ 为烟气压力传感器满量程值；$ {\mu _{{\text{ps}}}} $ 为烟气压力传感器精度值，%；$ F{S_{{\text{Ba}}}} $ 为大气压力计满量程值；$ {\mu _{{\text{Ba}}}} $ 为大气压力计精度值，%。烟囱中烟气压力 (表压) 正常范围在0.03~0.05 kPa之间。假设当地大气压力Ba为101.325 kPa，以上限量程3 kPa与5 kPa的0.5级、1.0级、2.5级精度差压传感器进行烟气压力监测。其压力监测值与对应的CO2排放量整体监测精度如图4所示，表明通过上述差压传感器所测得压力计算出来的CO2排放量精度值都小于0.05%。
在采用差压法监测烟气压力时，还需获得大气压力值。常用的大气压力计测量范围110 kPa，精度±0.3% FS及±0.5% FS。我国主要地区平均气压在80~101 kPa，按烟气0.03~0.05 kPa，大气压力监测值及对应CO2排放量整体监测精度如图5所示，表明通过上述精度大气压力计所测得压力计算出来的CO2排放量精度值都小于0.7%。
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烟气湿度测量精度对CO2排放量整体监测精度的影响计算式(10)如下。
式中：Rsw为烟气湿度精度影响下CO2排放量整体监测精度，%；
$ F{S_{{\text{sw}}}} $ 为烟气湿度传感器满量程值；$ {\mu _{{\text{sw}}}} $ 为烟气湿度精度值，%。湿度传感器常用量程为40%，使用精度±1.5% FS与±2.0% FS的湿度传感器监测烟气含湿量精度对CO2排放总量精度的影响如图6所示，表明通过上述精度湿度传感器所测得烟气湿度计算得到的CO2排放量精度值都小于1.4%。
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在其他参数不变情况下，CO2排放量整体监测精度直接等于烟气平均流速测量精度。根据美国国家标准与技术研究所实验，采用S型皮托管监测烟气流速，最高精度为5%左右，即对应CO2排放量监测精度最高能达5%左右。而采用多声道超声波流量计，精度达0.5%，即CO2排放量监测精度可能达0.5%。
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ISO17089-1-2019在对用于贸易交接与分输计量时的气体超声流量计精度规范中要求，用于贸易交接时，气体流量计精度应达到0.5级或1.0级，用于分输计量时，应达到1.5级[38]。若借鉴该标准，CO2体积分数监测指标很难满足该精度要求。综合分析目前技术现状及碳贸易需要，1.5级精度或2.0级精度是较为合理的监测精度要求。
通过CO2排放量精度影响分析，表明烟气温度、压力、湿度对其影响相对较小，选择合适精度与量程的监测仪器，实现CO2排放量监测1.5级精度或2.0级精度难度不大。CO2体积分数与烟气流速监测精度是当前能否实现CO2排放量1.5级精度或2.0级监测精度目标的关键。为实现该监测精度目标，在CO2体积分数监测方面，应尽量采用1.0级精度的气体分析仪，且选择合适的量程。在烟气CO2体积分数变化范围变化较大的场所，应采用多量程气体分析仪，以便实现全范围监测精度要求。
在烟气流速监测方面，目前基于皮托管流速监测的技术与方法尚无法满足CO2排放量1.5级精度或2.0级精度的目标要求。而超声流速仪监测实践表明，合理布置多通道超声流速仪是能够达到该目标精度的。因此，提高现在基于皮托管的流速监测技术与标准，同时，在多通道超声流速监测、烟气紊流影响、其它流速监测新技术方面展开研究是实现流速监测精度达到碳贸易精度需要努力的方向。
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1) 烟气温度、压力、湿度对CO2排放量监测精度影响相对较小，选择合适精度与量程的监测仪器，实现对应CO2排放量监测1.5级精度或2.0级精度难度不大。CO2体积分数与烟气流速监测精度是影响能否实现CO2排放量1.5级精度或2.0级精度要求的关键。
2) 为达到CO2排放量1.5级精度或2.0级精度目标，在CO2体积分数监测方面，应尽量采用1.0级精度的气体分析仪，且选择合适的量程。在CO2体积分数范围变化较大的场所，应采用多量程气体分析仪，以便实现全范围精度要求。
3) 在烟气流速监测方面，目前基于皮托管流速监测的技术与方法尚无法满足CO2排放量1.5级精度或2.0级精度的目标要求。提高现在基于皮托管的流速监测技术与标准，同时，在多通道超声流速监测、烟气紊流影响、流速监测新技术方面展开研究，是实现流速监测精度达到碳贸易精度需要努力的方向。
碳核查与交易需求背景下固定源CO2排放连续监测技术分析
Technical analysis of continuous monitoring of CO2 emissions from stationary sources within the framework of carbon verification and trading requirements
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摘要: 大型固定源排放的二氧化碳 (CO2) 是全球碳排放主要来源，对其排放量进行实时高精度监测是实施碳交易、产品碳足迹及碳税等机制的前提。通过分析CO2排放量监测所涉及的烟气温度、压力、湿度、流速及气体体积分数的监测技术特征，评价现在技术误差对CO2排放量监测精度的影响。在1.5级或2.0级碳排放量监测目标精度要求下，探讨各指标技术的发展需求。结果表明，在现有技术条件下，烟气温度、压力、湿度对CO2排放量监测精度影响较小，选择合适精度与量程的监测仪器满足CO2排放量监测1.5级或2.0级精度难度不大。CO2体积分数与烟气流速监测精度是影响能否实现CO2排放量1.5级或2.0级精度目标的关键。在CO2体积分数监测方面，应尽量采用合适量程的1.0级精度的气体分析仪，必要时需采用多量程气体分析仪。在烟气流速监测方面，目前基于皮托管流速监测的技术与方法尚无法满足该要求，应提高现在基于皮托管的流速监测技术与标准，同时在多通道超声流速监测、烟气紊流影响、流速监测新技术方面展开研究。Abstract: The CO2 emissions from large stationary sources constitute the primary global source of carbon emissions. Real-time and high-precision monitoring of these emissions is essential for implementing carbon trading, conducting product carbon footprint assessments, and levying carbon taxes. By analyzing the technical characteristics of CO2 emission monitoring, including flue gas temperature, pressure, humidity, flow rate, and gas volume fraction monitoring, we evaluated the impact of monitoring errors on the accuracy of CO2 emission monitoring. We discussed the performance requirements for each monitoring indicator in line with precision targets of 1.5 or 2.0 level carbon emission accuracy. Our findings indicate that flue gas temperature, pressure, and humidity have a minor impact on the accuracy of CO2 emission monitoring. Therefore, appropriate monitoring instruments with suitable accuracy and range can readily achieve the 1.5 or 2.0 level accuracy in CO2 emission monitoring. The accuracy of CO2 volume fraction and flue gas flow rate monitoring is crucial for meeting the 1.5 or 2.0 level accuracy targets for CO2 emission. Concerning CO2 volume fraction monitoring, gas analyzers with a precision of 1.0 level and appropriate range, sometimes with multi-range capability if necessary, should be employed. In terms of flue gas flow rate monitoring, the current methods based on Pitot tube flow rate monitoring are inadequate to meet the precision requirements. In is necessary to enhance the current Pitot tube-based flow rate monitoring technology and standards, while simultaneously conducting research on multi-channel ultrasonic flow rate monitoring, the impact of flue gas turbulence, and new technologies for flow rate monitoring.
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图 2 CO2体积分数监测值及对应CO2排放量精度
Figure 2. CO2 monitoring values and corresponding CO2 emission accuracy
图 3 温度监测值及对应CO2排放量精度
Figure 3. Temperature monitoring values and corresponding overall emission accuracy
图 4 烟气压力监测值及对应CO2排放量精度
Figure 4. Flue gas pressure monitoring values and corresponding CO2 emission accuracy
图 5 大气压力监测值及对应CO2排放量精度
Figure 5. Atmospheric pressure monitoring values and corresponding CO2 emission accuracy
图 6 湿度监测值及对应CO2排放量精度
Figure 6. Humidity monitoring values and corresponding CO2 emission accuracy
表 1 不同采样方式的技术特点对比
Table 1. Comparison of technical characteristics of different sampling methods
烟气抽取方法 技术特点 优点 缺点 完全抽取法 冷干法 烟气传输保持高于露点温度，进入气体分析仪前进行干燥处理，目前应用最广泛方法。 系统结构简单，维护量低，对分析仪器稳定性影响较小。 烟尘过滤量较大，烟气过滤负担大。需伴热取样，冷凝干燥过程易造成气体含量变化，特别是溶解度较大气体[21, 23]。 热湿法 烟气传输与进入气体分析仪过程都保持其高温，目前该类仪器最少。 气体分析系统结构简单，维护量低。可进行湿基气体组分
测量。烟尘过滤量较大，烟气过滤负担大。需伴热取样。高温含水汽烟气对分析仪器污染严重，对设备性能要求较高。 稀释抽取法 采用洁净干燥的空气按比例将烟气稀释至混合气体露点
以下。无需伴热取样，取样量较少，烟气过滤压力小，可进行湿基气体组分测量。 需专门设备清除稀释空气中污染物 (油、颗粒、水汽、CO2、NOx、SO2) 。易受稀释气体品质影响，稀释比易受温度与压力影响。痕量气体测量误
差大。
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表 2 高、低流速不同监测点数实验监测值及偏差
Table 2. Experimental monitoring values and deviations of different monitoring points at high and low flow rates
测点数 低流速时
测量值与偏差高流速时
测量值与偏差测量值/
(m·s−1)偏差/
%测量值/
(m·s−1)偏差/
%12 5.6 +6.1 24.83 +6.6 24 5.57 +5.5 24.68 +6.0 48 5.53 +4.7 24.47 +5.1
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