替代燃料窑线的碳计量监测研究实践

0　引言

水泥行业是碳排放重点行业，其低碳转型对我国实现“双碳”目标至关重要。利用城市固体废物、工业废物及生物质等替代燃料，是水泥行业实现节能降碳与协同处置固体废物的有效路径。然而，替代燃料的广泛应用对基于烟气直测法的碳核算提出了新挑战：一是其成分复杂、异质性高，使用文献缺省值计算碳排放带来较大误差；二是基于烟气在线监测（CEMS）的直测法，在监测边界、技术适用性及数据质量保证与现有基于标准计算法（即排放因子法）的核算核查、配额分配存在差异。

水泥行业碳排放核算主要参照的国内外标准分别为ISO 19694-3：2023、GB/T 32151.8—2023、GB/T 32150—2025等，欧盟碳市场[1]提供了基于计算的方法学和基于测量的方法学，这两种方法被认为是等同的，控排企业根据企业实际情况，在满足欧盟《监测与报告法规（2018/2066）》（MRR）数据质量要求的前提下，在监测计划（MP）中明确采用一种能够提供可信数据、设备可靠以及避免过高成本的方法，用于企业的年度碳核算核查及履约。全国碳市场则通过政策文件[2-3]，明确了配额分配的核心依据是企业的碳排放核算数据，该数据是依据基于标准计算法进行量化与报告的结果，同时鼓励有条件的企业加强烟气二氧化碳排放自动监测技术的应用。

国内中建材、天津院等大型水泥企业和科研院所对水泥行业碳监测有一定研究和实践基础[4-7]，现有项目基础投资在30万~150万元不等，5?000 t/d熟料生产线（低燃料替代率）采用双声道超声波流量设备和抽取式湿度精准测量，监测时段的比对监测相对误差约为4.24%，相对不确定度约为3.1%。但是，对于大比例使用替代燃料的生产线，如何通过实测提升计算精度，以及如何评价CEMS监测数据的质量并与核算方法进行交叉验证，仍缺乏实践研究。为此，依托生态环境部与湖北省市场监督管理局开展的碳监测试点项目，研究在两条具有代表性的替代燃料窑线开展了为期近两年的碳计量监测实践，旨在探索两种方法在真实生产环境下的应用，评估其数据质量，并为行业方法学选择与数据质量提升提供实证支持。

1　研究方法与实验设计

研究采用“核算边界界定—工厂实测—数据分析—质量评定”的技术路线。

1.1　窑尾烟囱与碳核算边界

1.1.1　在线监测—窑尾烟囱边界

窑尾烟囱在线监测涵盖公式（1）中所有7项排放源（E1~E7），是CEMS直接监测的理论边界，也是本研究进行数据比对的基准之一。

式中：

1.1.2　碳核算边界

水泥行业现有核算方法学覆盖的排放源存在较大差异（见表1）与窑尾二氧化碳在线监测覆盖的排放源，从现有标准和方法学角度来看，仅通过基于测量的方法学获得的碳排放数据不能直接用于水泥行业碳市场履约，替代燃料燃烧等产生的碳排放需单独核算扣减。

在线监测与碳核算边界的差异在于：用于碳市场履约的核算边界为化石燃料燃烧和熟料碳酸盐分解的排放，而在线监测直接测量窑尾烟囱排放，还包含了替代燃料全部燃烧碳排放、旁路放风及窑头粉尘分解碳排放、生料中非燃烧碳燃烧的排放等，即

以某生产线年度碳核查报告为数据基础，当工厂热量替代率（Thermal substitution rate，TSR）为40%时，碳市场覆盖排放源占窑尾监测覆盖排放源仅80%左右，替代燃料全部燃烧碳排放约19%，其他碳排放约1%。因此，对比烟气直测法总量与基于标准计算法的核算结果时，需将核算边界统一至窑尾烟囱边界，或对烟气直测法总量进行相应扣减，统一至碳市场核算及履约边界。

1.2　替代燃料碳排放实测方法

为降低替代燃料排放因子使用缺省值所带来碳排放量的误差，项目组在现有企业标准的基础上，制定了对两条生产线为期1个月（非自然月）“专厂专策”的替代燃料采样、制样与检测方案，得到替代燃料碳排放因子实测值。

采样：对生产线1（替代燃料种类：RDF1a、RDF1b、废纺）和生产线2（替代燃料种类：RDF 2a、轮胎粉）每日进厂的替代燃料，按种类每日采集综合样（≥3 kg）。

检测：检测指标包括水分、收到基低位热值（LHV）和碳含量。碳含量采用Leco SC832DR碳硫分析仪（检测方法为燃烧红外光谱法）测定。

计算：基于实测的热值（GJ/t）和碳含量（%），根据公式（2）或（3）计算月度平均碳排放因子（tCO2/t），并与国家标准（GB/T 32151.8附录E）及《省级温室气体清单编制指南（试行）》中的缺省值进行对标。

根据欧盟碳市场碳数据质量评价要求[8]以及国内对重点排放单位碳计量审查要求[9]，研究采用不确定度作为评价碳排放数据质量的指标。国内水泥行业尚未系统建立针对碳数据的不确定度评定方法，针对水泥行业碳排放特性，综合考虑企业进行不确定度评定的成本效益和报告可信度的平衡，参考欧盟碳市场（MRR）及ISO、IPCC指南确定基于烟气直测法和基于标准计算法计算碳排放的不确定度评定方法。

基于烟气直测法（CEMS）：评定系统整体相对不确定度。考虑CO2浓度、烟气流量、温度、湿度、压力等测量参数的A类（重复性）和B类（仪器最大允许误差等）不确定度，通过灵敏系数合成。评定的核算边界为窑尾烟囱。

基于标准计算法：评定整体及关键参数的不确定度。对化石燃料消耗量、热值、熟料产量等主要活动数据和排放因子的测量或取值不确定度，通过灵敏系数合成。评定的核算边界为碳市场履约边界。

1.4　试点生产线概况

生产线在线监测现场见图1。

生产线1：9?500 t/d新型干法熟料生产线，TSR常年维持在20%~40%，代表高TSR、工况复杂生产线。窑尾为混凝土烟囱，碳监测期间实施了湿法脱硫及窑尾烟囱防腐砖铺设，监测点流场条件欠佳（流速相对均方根σ为15.2%）。现场流量监测设备（见表2）原为单点超声波流量计，实施湿法脱硫试运行期间，烟气变化造成多次采样头堵塞和损坏，监测设备整体更换（见表3），流量计为矩阵式多点皮托管，再次堵塞后更换为单点皮托管，以适应监测设备防腐、防尘的要求。现场已完成第三方72 h调试检测和比对监测（相对误差4.83%），已连续监测21个月，每月定期开展设备现场校准，系统配备了数据追溯系统，自动监测设备情况。

生产线2：3?500 t/d新型干法熟料生产线，TSR约10%~20%，代表中等TSR、监测条件较好的生产线。相比生产线1，窑尾采用标准钢烟囱，内壁光滑，监测采样具有现场易打孔、易施工，流场均匀（流速相对均方根σ为11.06%）等优点。已完成第三方72 h调试检测和比对监测（相对误差5.45%），已连续监测10个月，每月定期开展设备现场校准，同时配备了数据质量追溯系统，自动监测设备情况见表4，流量计为矩阵式多点皮托管，定制取样管、监测设备及站房投入约72万元。

2　结果与讨论

2.1　替代燃料碳排放实测结果与影响分析

对两条生产线所使用的各类替代燃料（包括RDF1a、RDF1b、RDF2a、废纺、轮胎粉和RDFc）开展了为期1个月的实测工作，其中RDFc来源于2019年公司工艺摸底数据，与GB/T 32151.8—2023表E.1图替代燃料碳排放因子默认值进行比较（见图2）。

如图2所示，RDF碳排放因子实测值普遍高于生活垃圾缺省值约14.37%~ 21.95%，表明直接采用生活垃圾碳排放因子缺省值可能低估了RDF的碳排放，如使用窑尾烟气直测的碳排放扣减通过缺省值计算的碳排放，则对RDF使用企业的碳市场履约不利。废纺实测值与缺省值差异为19.14%，而轮胎粉的差异最小，为-12.37%。反映出不同来源的同品种固废类替代燃料异质性强，实测值与缺省值存在差异，现有替代燃料碳排放缺省值难以作为碳市场履约，影响企业碳排放数据质量。

注：RDFc取自2011年某工厂RDF燃烧特性测试报告

通过图3对比，使用实测值核算替代燃料碳排放后，对比替代燃料碳排放使用默认值，生产线2与生产线1窑尾边界碳排放的核算—监测相对偏差分别降低了0.83%和0.99%，降低率分别为51.43%、5.04%。这表明对于生产线2（TSR约20%），替代燃料的应用是主要误差源之一；而对于生产线1（TSR约24%），从数据来看误差可能更多的来源于在复杂的烟气流场条件下监测等其他原因。

2.2　月度碳监测数据比较分析

2.2.1　排放因子法计算窑尾烟囱边界与交易边界的碳排放

两条试点生产线的窑尾边界排放因子法计算的碳排放强度均显著高于交易边界排放因子法计算的碳排放强度，生产线1连续21个月的月度报告显示两种核算边界下的碳排放强度差异在48.14~183.24 kgCO2/t.cl，相对偏差为6.14%~25.18%，生产线2连续10个月的月度报告显示两种核算边界下的碳排放强度差异在90.14~197.87 kgCO2/t.cl，相对偏差为11.33%~24.38%，差异主要来源于替代燃料燃烧碳排放的计入，且在同一生产线内，热量替代率（TSR）越高，差异越大。这证实了方法学边界不统一是数据不可比的首要原因。图4展示了试点期间单月两条生产线的窑尾边界排放因子法计算的碳排放强度和交易边界排放因子法计算的碳排放强度，为减小默认值的影响，替代燃料碳排放采用工厂实测值。可以看出，窑尾边界与交易边界碳排放差异分别为12.36%和13.31%，生产线2 CEMS直测与排放因子法计算的碳排放差异较小。

2.2.2　CEMS直测和碳排放因子法在烟囱边界下的碳排放

1）生产线1

生产线1的二氧化碳在线监测排放量整体高于碳核算排放量，通过超声波流量计计量得到的碳排放量偏差低于皮托管流量计计量得到的碳排放量。取相对可信月度数据，对比窑尾边界的碳排放因子法，现场通过超声波流量计计量得到的碳排放月度相对偏差在8.53%~19.61%，通过单点皮托管流量计计量得到的碳排放月度相对偏差在12.74%~24.48%（湿法脱硫运行以前），通过单点皮托管流量计（湿法脱硫运行后）计量得到的碳排放月度相对偏差在4.68%~83.23%，月度体积浓度均值在19.3%~21.4%。

2）生产线2

综合考虑生产线1前期经验，生产线2在制定监测方案时，因加强了在线监测仪器设备选取、监测布点、烟气流场、运维质量等方面的技术保障，对比碳排放因子法，生产线2通过多点皮托管流量计计量得到的碳排放月度相对偏差在-12.28%~7.42%，正偏差6次，负偏差4次，月度体积浓度均值在19.36%~21.95%，从监测数据结果来看，CEMS直测和碳排放因子法在烟囱边界下的偏差情况整体优于生产线1。

2.3　碳排放数据不确定度评定结果

研究对两条试点线的碳排放尝试不确定度评定，评定边界见1.3节。发现两条生产线CEMS直接测量法结果超过欧盟±2.5%的阈值，生产线1碳排放总量的不确定度为7.65%，生产线2碳排放总量的不确定度为5.03%（见表5）。这反映在当前国内技术规范和工况条件下，替代燃料窑线实现高精度二氧化碳排放总量监测仍面临较大的挑战。

相比之下，标准计算法的数据质量更加可控，两条生产线的相对不确定度分别为1.62%和3.15%，整体优于烟气直测法。大部分活动数据（如传统燃料消耗量、熟料产量）工厂能够实现的不确定度满足欧盟要求，体现出现有计量体系具备一定的数据基础。主要差距在于燃料单位热值含碳量、碳氧化率等参数仍依赖缺省值，而欧盟要求实测。需要指出的是，受数据源和课题开展进度所限，不确定评定所涉及的具体计算数据源的覆盖时间段有所不同，但皆取自于试点期间数据，具有较强的代表性。

不确定度评定定量揭示了不确定度贡献主要来源，为企业指明了数据质量改进的精准方向，如生产线1需改善流速测量，而全行业需推动关键排放因子实测，夯实企业层级碳排放数据质量基础。

3　结论与启示

（1）碳监测的当前定位应是重要的参考，而非独立的履约依据。水泥厂窑尾烟囱覆盖的排放源与水泥行业现行核算方法学覆盖的排放源存在一定差异，需在烟气直测法获得碳排放总量的基础上，通过计算方法核算和扣减替代燃料的碳排放，才能用于水泥行业碳市场履约。烟气直测法技术领域暂未形成标准化、可复制的水泥工业二氧化碳监测技术体系，替代燃料窑线烟气直测法精度暂未达到国际先进碳市场要求（如欧盟±2.5%），因此现阶段二氧化碳在线监测数据更适合用于企业内部排放趋势跟踪、碳核算核查数据校验，而非独立的履约依据。

（2）二氧化碳总量监测在技术本质上有别于常规污染物浓度监测，对数据质量要求更高。二氧化碳总量监测与常规污染物浓度监测在核心目标、监测原理和技术要求上存在根本性差异，其核心在于二氧化碳排放总量是浓度与流速在时间维度上的积分累计结果，而不仅是瞬时浓度的高低。因此，不能简单套用污染物在线监测的技术规范。我国现有污染物在线监测规范贴合现有污染物浓度单控要求，而针对烟道流量、湿度等算总量准确性要求的二氧化碳在线监测类标准、规范还在逐步建立的过程中，复杂烟气条件下的碳监测和流场优化布点亟待研究。且为实现一定质量的监测，水泥厂必须投入一定成本的运维保障（如设备的防腐防堵预处理及定期校准、比对等）。

（3）热量替代率（TSR）对二氧化碳在线监测数据质量的影响较为显著，现阶段宜优先采用并不断完善基于计算的方法。研究表明，高TSR会显著增加烟气直测法的误差和不确定度。一方面，通过开展企业级替代燃料实测，可有效降低因使用缺省值带来的计算误差，提升核算数据的准确性；另一方面，通过采取优化监测布点、稳定生产工况和加强监测设备日常运维，可减少数据误差。生产线1工况复杂、流场不均、监测布点施工难，流速的准确测量是其最大挑战，即便更换监测设备，与排放因子法的月度偏差（4.68%~83.23%）仍然较大。生产线2监测初始条件较好，通过优化现场监测方案、选取防堵塞、腐蚀的监测设备，监测设备运行更为稳定，烟气直测与排放因子法计算值的月度偏差（-12.28%~7.42%）较小。

考虑到本研究生产线个数和监测时长仍有一定局限性，水泥行业应进一步加强对替代燃料窑线烟气直测法的研究，对标国际通行要求，建立行业碳监测标准、技术规范体系，早日实现烟气直测法的技术经济可行性，以支撑碳监测发挥更大作用。同时，我国碳市场建设也正在经历“先立后破”的过程，水泥行业在“十五五”期间应用好碳排放因子法，提高水泥企业碳核算和计量设施能力建设，推动碳排放关键参数实测，系统性降低核算结果的不确定度，夯实碳市场的数据基础。

作者单位:华新建材集团股份有限公司，绿色低碳水泥湖北省重点实验室

文章来源：《水泥》杂志2026年第5期

编辑：何昊

审核：胡如进

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