CN108225437A - 一种通用的温室气体排放在线监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种通用的温室气体排放在线监测系统及方法，包括取样装置、烟气监测装置、上位机、电表、热量表、独立计算模块和外部设备；取样装置分为多组取样管，并按网格取样法布置在烟道的同一垂直截面上；烟气监测装置包括温度测量仪、压力测量仪、湿度测量仪和差压计。本发明通过测量烟气流量、温室气体浓度、外购电量、外购热量，可实时在线监测烟气、外购电力热力的温室气体排放，便于研究运行情况与温室气体排放的关联性；独立计算模块用于计算不便于直接监测的温室气体排放，温室气体\O₂测量仪按需配置具体测量仪，可适应不同行业；以直接监测为主，间接监测为补充的监测方法可提高监测的自动化程度。

Description

一种通用的温室气体排放在线监测系统及方法

技术领域

本发明涉及温室气体排放监测领域，尤其涉及一种通用的温室气体排放在线监测系统及方法。

背景技术

气候变化及其导致的全球温度升高、海平面上升、极端事件频发，不仅造成了大量的经济损失，还严重影响着人类的可持续发展。温室气体的持续排放将造成气候系统的继续变暖和组成成分的变化。抑制气候变化需要大幅地、持续地减排温室气体。

我国是世界最大的温室气体排放国，也因此在温室气体减排上受到巨大的国际政治、经济压力。温室气体减排有赖于准确的监测体系，以量化减排指标，确定企业排放配额，获取企业实际排放量，检验企业减排成果。目前我国已分三批先后印发了共24个具有温室气体排放的相关行业企业的温室气体核算方法和报告指南，涵盖发电企业、水泥生产企业、钢铁生产企业等排放大户。

目前国际上认可的温室气体排放监测方法有两类：一类是以质量平衡来间接计算温室气体排放；另一类是直接测量烟气流量和温室气体浓度等参数来获得温室气体排放。质量平衡法在拥有完整且准确的数据时，可以获得较精确的温室气体排放量，但在实际中，获取诸如灰渣含碳量、灰渣质量很困难。直接监测法精确度最高，其主要监测烟气流量和温室气体浓度。但仅仅针对某个位置进行监测，不具有代表性，影响监测结果的准确性；且部分温室气体排放由于排放形式特殊，进行直接监测很困难。

当前，我国具有温室气体排放的相关行业的温室气体核算指南均采用间接法(质量平衡法)进行计算，虽然可以降低成本，但存在准确性不高、监测人力物力成本高、延时长、数据消息有限、自动化程度不高等问题。而温室气体排放的相关行业的排放源不同，排放的温室气体种类不同，市面上监测仪器多样且功能单一，妨碍了监测体系的标准化。

因此，需要归纳各个行业温室气体排放的共同点，形成一种以直接监测为主，间接监测为补充的温室气体监测方法。该方法既可以保证了监测结果的准确度，又兼顾了实际过程的可操作性，可适用于全部温室气体排放的相关行业不同温室气体的在线监测。

发明内容

针对目前温室气体排放监测结果不准确、监测成本高、自动化程度低、通用性较低等问题，本发明提供一种通用的温室气体排放在线监测系统。本发明通过测量烟气流量、温室气体浓度、外购电量、外购热量，可实时在线监测烟气、外购电力热力的温室气体排放，便于研究运行情况与温室气体排放的关联性；使用网格取样法布置多组取样装置，保证流量和浓度测量的准确性；独立计算模块用于计算不便于直接监测的温室气体排放，以适应不同行业；系统以直接监测为主，间接监测为补充的监测方法提高了监测的自动化程度，兼顾了准确性与可操作性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的目的之一是公开了一种通用的温室气体排放在线监测系统，包括取样装置、烟气监测装置、上位机和外部设备，其特征在于：还包括外购能源监测设备、独立计算模块，所述独立计算模块用于计算间接监测的温室气体排放，以适应不同行业。当有生物质燃料燃烧时，由于指南中不计算生物质的排放，而在对烟气的监测却包含了生物质燃烧的排放，因此，在独立计算模块中要减去这个部分，需要计算生物质燃烧排放并取负值。

所述取样装置固定在烟道壁面上并伸入烟道，所述取样装置包含至少两组取样管，所述取样管按网格取样法布置在所述烟道的垂直截面上；

所述烟气预处理组件连接所述取样装置，所述温室气体\O₂测量仪连接所述烟气预处理组件，所述烟气测量组件连接所述上位机，所述取样装置中的烟气经过所述烟气预处理组件进入所述温室气体\O₂测量仪中，所述烟气测量组件测量烟道中心处的烟气数据；

所述上位机连接所述烟气预处理组件、所述外购能源监测设备、所述独立计算模块和所述外部设备。

优选的，所述取样装置按网格取样法布置在所述烟道的垂直截面右半部分或左半部分。烟气通道内在稳定的对称横截面上，其速度场、浓度场同样也对称。

优选的，所述取样装置包含三组取样管，取样管尾部连通，烟气在取样装置尾部混合，再进入烟气预处理组件；所述三组取样管按网格取样法布置在烟道垂直截面。网格取样法是指将烟道截面分成若干等面积区域，如圆形烟道截面就分成等面积同心圆环，矩形烟道截面就分成形状一致的等面积小矩形，取圆环的环中点或小矩形的中心作为取样点。三组取样管设置在同一垂直截面上，不同取样管伸入烟气管道的长度不一致，用于收集不同位置的烟气。

优选的，所述烟气测量组件包括温度测量仪、压力测量仪、湿度测量仪和差压计，所述差压计连接至少两根靠背管，所述靠背管按网格法布置在烟道的垂直截面上，且尾部连通通向差压计，所述温度测量仪、压力测量仪和湿度测量仪测量烟道中心处的烟气温度、压力、湿度。

优选的，所述烟气测量组件包括温度测量仪、压力测量仪和湿度测量仪，所述温度测量仪、压力测量仪和湿度测量仪测量烟道中心处的烟气温度、压力、湿度。烟气的温度、压力、湿度场在烟气通道内的横截面分布比较均匀，可以取中心点进行单点测量。所述烟气监测装置是在线监测系统的主要组成部分，是研究实时运行工况与温室气体排放关联性的硬件基础。

优选的，所述差压计连接三根靠背管，所述靠背管按网格法布置在烟道的垂直截面上，且尾部连通通向差压计。

优选的，所述取样管和所述靠背管上均设有电磁阀，所述上位机通过控制所述电磁阀来实现不同取样装置的自动切换。

优选的，所述外购能源监测设备包括电表和热量表，所述电表和所述热量表监测外购电力和外购热力的温室气体排放数据。

所述烟气监测装置测量烟气的温度、压力、湿度、流量和温室气体\O2浓度，所述上位机收集烟气监测装置获取的数据、电表读数、热量表读数及独立计算模块结果并进行数据处理，最后通过外部设备将数据显示并存储。

优选的，所述外部设备包括存储器、显示屏和打印机。

优选的，所述温室气体\O₂测量仪为模块化设计，包括温室气体测量仪和O₂测量仪。

优选的，所述温室气体测量仪包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮测量仪。

本发明的另一目的是公开了一种应用上述温室气体排放在线监测系统的在线监测方法，所述上位机收集数据并进行数据处理，所述上位机收集数据并进行数据处理，数据处理过程计算式如下：

Emission_温室气体＝Emission_{烟道温室气体}+Emission_{外购电力二氧化碳}+Emission_{外购热力二氧化碳}+Emission_{独立计算的其它温室气体}

式中，Emission_温室气体为企业温室气体排放总量，t-CO₂；Emission_{烟道温室气体}为烟道中温室气体排放总量，t-CO₂；Emission_{外购电力二氧化碳}为外购电力排放的二氧化碳量，t-CO₂；Emission_{外购热力二氧化碳}为外购热力排放的二氧化碳量，t-CO₂；Emission_{独立计算的其它温室气体}为企业中不便于直接监测的独立计算出的温室气体排放，t-CO₂；

式中，Emission_{烟道温室气体i}为烟道中温室气体i排放总量，t；i为温室气体类型；GWP_i为温室气体i的全球变暖潜能值；

式中，Rate_{烟道温室气体i}为烟道温室气体i的排放速率，t/h；n表示时间，h；

式中，P为烟气总压，Pa；T为烟气温度，℃；V_总为实际工况下湿烟气流量，m3/h；R 为标准摩尔气体常数，8.314J/(mol*K)；ψ为烟气中水蒸气体积分数，％；D为烟气湿度， g/m3；为水蒸气摩尔质量，18.02g/mol；为干烟气中温室气体i的体积分数； M_{温室气体i}为温室气体i的相对分子质量；

Emission_{外购电力二氧化碳}＝D×f_g

式中，D为企业的外购电力量，MWh；f_g为外购电力排放因子，t-CO₂/MWh；

式中，j为按压力划分的蒸汽类型；AD_j耗汽为j类蒸汽消耗量，t；K_j蒸汽为j类蒸汽按热值折算标煤的折标准煤系数；为标准煤的二氧化碳排放因子，2.47t-CO₂/t。

优选的，所述独立计算模块在应用于有生物质燃料燃烧的行业时，须计算生物质排放量并取生物质排放量为负值。

本发明的有益效果：

1.可实时在线监测烟气、外购电力热力的温室气体排放，便于研究运行情况与温室气体排放的实时特性。

2.使用网格取样法布置三组取样装置，保证流量和浓度测量的准确性。

3.测量仪器按模块化实际，按需要进行配置，因而适用于不同行业、不同种类温室气体排放的监测。

4.设置上位机汇总燃煤电厂温室气体的总排放，外部设备可实现监测数据显示、打印、存储和远程获取功能。

5.本发明的跨行业通用的温室气体排放在线监测系统以直接监测为主，间接监测为补充的监测方法提高了监测的自动化程度，兼顾了准确性与可操作性；由于跨行业的通用性，减少了多样性，适合大规模生产，因此可有效降低监测设备的生产采购成本，有利于加快监测体系的构建。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

附图标记：

1a、第一取样管；1b、第二取样管；1c、第三取样管；2a、第一靠背管；2b、第二靠背管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

一种通用的温室气体排放在线监测系统，包括取样装置、烟气监测装置、和外部设备，其特征在于：还包括上位机、外购能源监测设备、独立计算模块，所述独立计算模块用于计算间接监测的温室气体排放；间接监测的温室气体数据是指企业无法通过直接监测获得的某些物质燃烧所产生的温室气体排放量，所述独立计算模块可以适应不同行业，将间接监测数据独立计算出来，能保证整体温室气体排放量的数据完整性。

所述取样装置固定在烟道壁面上并伸入烟道，所述取样装置包括至少两组取样管，所述取样装置按网格取样法布置在所述烟道的垂直截面上，优选的，取样装置可以设置在烟道的右半部分或左半部分；所述取样装置在尾部连通，烟气经取样装置在尾部混合，再进入烟气预处理组件。

所述烟气监测装置包括烟气预处理组件、温室气体\O₂测量仪、烟气测量组件，所述温室气体\O₂测量仪连接所述烟气预处理组件，所述烟气测量组件连接所述上位机，所述取样装置获取的烟气经烟气预处理组件进入所述温室气体\O₂测量仪，所述烟气测量组件测量烟道中心处的烟气数据。所述上位机连接所述烟气监测装置、所述烟气预处理组件、所述外购能源监测设备、所述独立计算模块和所述外部设备。

所述烟气预处理组件包括除湿器、除尘器和泵，所述取样枪中的烟气依次经除湿器、除尘器、泵进入温室气体\O₂测量仪中。所述烟气测量组件包括温度测量仪、压力测量仪、湿度测量仪和差压计，所述差压计连接至少两根靠背管，所述靠背管按网格法布置在烟道的垂直截面上，且尾部连通通向差压计，所述温度测量仪、压力测量仪和湿度测量仪测量烟道中心处的烟气温度、压力、湿度。所述外购能源监测设备包括电表和热量表，所述电表和所述热量表监测外购电力和外购热力的温室气体排放数据。所述外部设备包括存储器、显示屏和打印机。所述温室气体\O₂测量仪为模块化设计，包括温室气体测量仪和O₂测量仪。所述温室气体测量仪还包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮测量仪，根据不同行业按实际需要配置。

所述取样管和所述靠背管上均设有电磁阀，所述上位机通过控制所述电磁阀来实现不同取样装置的自动切换。

所述烟气监测装置测量烟气的温度、压力、湿度、流量和经过取样管进入温室气体\O2 测量仪中的温室气体浓度，所述上位机收集烟气监测装置获取的数据、电表读数、热量表读数及独立计算模块结果并进行数据处理，最后通过外部设备将数据显示并存储。所述烟气监测装置是在线监测系统的主要组成部分，是研究实时运行工况与温室气体排放关联性的硬件基础。

本实施例的所述取样装置分为三组，包括第一取样管1a、第二取样管1b、第三取样管 1c；三组取样管上设有电磁阀，当需要测定某测点的流量和浓度时，通过上位机开启该测点对应的取样管上的电磁阀，同时关闭其他测点的电磁阀。也可以同时打开三个测点的取样管上的电磁阀，将三个测点的烟气进行混合测量。如测量第三测点处的流量和浓度时，开启第三取样管1c上的电磁阀，关闭取样装置剩余的电磁阀。所述上位机通过控制电磁阀和泵来实现三组取样装置的自动切换。

当同时收集三个测点的烟气时，打开第一取样管1a、第二取样管1b、第三取样管1c上的电磁阀，烟气从三组取样管进入，在取样管尾部混合，再经过除尘器、除湿器、泵进入所述温室气体\O₂测量仪。第一取样管1a、第二取样管1b、第三取样管1c按网格取样法布置在烟道垂直截面。网格取样法是指将烟道截面分成若干等面积区域，如圆形烟道截面就分成等面积同心圆环，矩形烟道截面就分成形状一致的等面积小矩形，取圆环的环中点或小矩形的中心作为取样点。第一取样管1a、第二取样管1b、第三取样管1c设置在同一垂直截面上，第一取样管1a、第二取样管1b、第三取样管1c伸入烟气管道的长度不一致，用于收集不同位置的烟气。

所述温度测量仪可以为热电偶。所述外部设备包括存储器、显示屏和打印机。测量数据和计算数据可在显示屏中显示，通过打印机打印出来，并存储到存储器中。所述存储器可以为网盘，可实现数据远程获取。

一种通用的温室气体排放在线监测方法，通过温室气体排放在线监测系统中的所述上位机收集数据并进行数据处理，数据处理过程计算式如下：

Emission_温室气体＝Emission_{烟道温室气体}+Emission_{外购电力二氧化碳}+Emission_{外购热力二氧化碳}+Emission_{独立计算的其它温室气体}

式中，Emission_温室气体为企业温室气体排放总量，t-CO₂；Emission_{烟道温室气体}为烟道中温室气体排放总量，t-CO₂；Emission_{外购电力二氧化碳}为外购电力排放的二氧化碳量，t-CO₂；Emission_{外购热力二氧化碳}为外购热力排放的二氧化碳量，t-CO₂；Emission_{独立计算的其它温室气体}为企业中不便于直接监测的独立计算出的温室气体排放，t-CO₂；

式中，Emission_{烟道温室气体i}为烟道中温室气体i排放总量，t；i为温室气体类型；GWP_i为温室气体i的全球变暖潜能值；

式中，Rate_{烟道温室气体i}为烟道温室气体i的排放速率，t/h；n表示时间，h；

式中，P为烟气总压，Pa；T为烟气温度，℃；V_总为实际工况下湿烟气流量，m3/h；R 为标准摩尔气体常数，8.314J/(mol*K)；ψ为烟气中水蒸气体积分数，％；D为烟气湿度， g/m3；为水蒸气摩尔质量，18.02g/mol；为干烟气中温室气体i的体积分数； M_{温室气体i}为温室气体i的相对分子质量；

Emission_{外购电力二氧化碳}＝D×f_g

式中，D为企业的外购电力量，MWh；f_g为外购电力排放因子，t-CO₂/MWh；

式中，j为按压力划分的蒸汽类型；AD_j耗汽为j类蒸汽消耗量，t；K_j蒸汽为j类蒸汽按热值折算标煤的折标准煤系数；为标准煤的二氧化碳排放因子，2.47t-CO₂/t。

所述独立计算模块用于计算不便于直接监测的温室气体排放，适用于不同行业、不同温室气体种类。当有生物质燃料燃烧时，由于目前相关行业企业的温室气体核算方法和报告指南中不计生物质的排放，而在对烟气的监测实际上却包含了生物质燃烧的排放，因此，在独立计算模块中要减去这个部分，需要计算生物质燃烧排放并取负值。

鉴于不同行业的排放源不同、排放的温室气体种类不一致，因而上述的温室气体_/O₂测量仪和独立计算模块通过灵活的模块化设计，可以适用于不同的情况。如针对中国化工生产企业，温室气体_/O₂测量仪会包含二氧化碳测量仪、氧化亚氮测量仪、O₂测量仪；独立计算模块则需要计算一定时期内移动化石燃料的二氧化碳排放量和废气燃烧排放的二氧化碳，并计算生物质燃料燃烧排放的二氧化碳并取负值，移动化石燃料主要是指在移动设备中使用到的化石燃料，这一部分的化石燃料烧排放的温室气体不便于直接监测获取，只能通过独立计算模块获取移动化石燃料的总量计算其料烧排放的温室气体量。针对陶瓷生产企业，温室气体_/O₂测量仪会包含二氧化碳测量仪、O₂测量仪；独立计算模块则需要计算一定时期内移动化石燃料的二氧化碳排放量，并计算生物质燃料燃烧排放的二氧化碳并取负值。

本发明的工作流程：

单独测点取样时，启动泵进行抽气，取样烟气经除湿器除湿、除尘器除尘后进入温室气体_/O₂测量仪，分析得到取样烟气温室气体和O₂浓度。按照上述方法依次对第一取样管1a、第二取样管1b、第三取样管1c采集的烟气进行连续监测，将三个测点的温室气体和O₂浓度分别作平均，得到更准确的烟气平均温室气体和O₂浓度。

本发明在收集多个测点的烟气样本时，取样烟气由第一取样管1a、第二取样管1b、第三取样管1c进入，在取样管末端混合，混合烟气经除尘器、除湿器、泵进入温室气体_/O₂测量仪，分析得到温室气体和O₂浓度。第一靠背管2a、第二靠背管2b、第三靠背管2c在末端连通，并连接差压计获得烟道差压。

湿度测量仪、温度测量仪、压力测量仪分别测量烟气湿度、温度、压力；电表测量外购电力量；热力表测量外购热力量；独立计算模块使用质量平衡法计算其他不便于直接监测的温室气体排放。上述所有数据流入上位机，可以求得具体行业企业的温室气体排放总量，并能实时获取除独立计算模块外的其余温室气体的排放速率及排放总量，便于研究实时运行工况与温室气体排放的关联性。将相关数据展示在显示屏，并导入存储器保存，打印所需数据结果。

本发明的温室气体排放在线监测系统采用以直接监测为主，间接监测为补充的监测方法，提高了监测的自动化程度，兼顾了准确性与可操作性。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种通用的温室气体排放在线监测系统，包括取样装置、烟气监测装置、上位机和外部设备，其特征在于：还包括外购能源监测设备、独立计算模块，所述独立计算模块用于计算间接监测的温室气体排放；

所述取样装置固定在烟道壁面上并伸入烟道，所述取样装置包含至少两组取样管，所述取样管按网格取样法布置在所述烟道的垂直截面上；

所述烟气监测装置包括烟气预处理组件、温室气体\O₂测量仪、烟气测量组件，所述烟气预处理组件连接所述取样装置，所述温室气体\O₂测量仪连接所述烟气预处理组件，所述烟气测量组件连接所述上位机，所述取样装置中的烟气经过所述烟气预处理组件进入所述温室气体\O₂测量仪中，所述烟气测量组件测量烟道中心处的烟气数据；

所述上位机连接所述烟气预处理组件、所述外购能源监测设备、所述独立计算模块和所述外部设备。

2.根据权利要求1所述的一种通用的温室气体排放在线监测系统，其特征在于，所述烟气预处理组件包括除湿器、除尘器和泵，所述取样枪中的烟气依次经除湿器、除尘器、泵进入温室气体\O₂测量仪中。

3.根据权利要求1所述的一种通用的温室气体排放在线监测系统，其特征在于，所述烟气测量组件包括温度测量仪、压力测量仪、湿度测量仪和差压计，所述差压计连接至少两根靠背管，所述靠背管按网格法布置在烟道的垂直截面上，且尾部连通通向差压计，所述温度测量仪、压力测量仪和湿度测量仪测量烟道中心处的烟气温度、压力、湿度。

4.根据权利要求3所述的一种通用的温室气体排放在线监测系统，其特征在于，所述取样管和所述靠背管上均设有电磁阀，所述上位机通过控制所述电磁阀来实现不同取样装置的自动切换。

5.根据权利要求1所述的一种通用的温室气体排放在线监测系统，其特征在于，所述外购能源监测设备包括电表和热量表，所述电表和所述热量表监测外购电力和外购热力的温室气体排放数据。

6.根据权利要求1所述的一种通用的温室气体排放在线监测系统，其特征在于，所述外部设备包括存储器、显示屏和打印机。

7.根据权利要求1所述的一种通用的温室气体排放在线监测系统，其特征在于：所述温室气体\O₂测量仪为模块化设计，包括温室气体测量仪和O₂测量仪。

8.根据权利要求7所述的一种通用的温室气体排放在线监测系统，其特征在于：所述温室气体测量仪还包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮测量仪。

9.一种应用权利要求1所述温室气体排放在线监测系统的在线监测方法，其特征在于，所述上位机收集数据并进行数据处理，数据处理过程计算式如下：

Emission_温室气体＝Emission_{烟道温室气体}+Emission_{外购电力二氧化碳}+Emission_{外购热力二氧化碳}+Emission_{独立计算的其它温室气体}

式中，Emission_温室气体为企业温室气体排放总量，t-CO₂；Emission_{烟道温室气体}为烟道中温室气体排放总量，t-CO₂；Emission_{外购电力二氧化碳}为外购电力排放的二氧化碳量，t-CO₂；Emission_{外购热力二氧化碳}为外购热力排放的二氧化碳量，t-CO₂；Emission_{独立计算的其它温室气体}为企业中不便于直接监测的独立计算出的温室气体排放，t-CO₂；

式中，Emission_{烟道温室气体i}为烟道中温室气体i排放总量，t；i为温室气体类型；GWP_i为温室气体i的全球变暖潜能值；

式中，Rate_{烟道温室气体i}为烟道温室气体i的排放速率，t/h；n表示时间，h；

式中，P为烟气总压，Pa；T为烟气温度，℃；V_总为实际工况下湿烟气流量，m3/h；R为标准摩尔气体常数，8.314J/(mol*K)；ψ为烟气中水蒸气体积分数，％；D为烟气湿度，g/m3；为水蒸气摩尔质量，18.02g/mol；为干烟气中温室气体i的体积分数；M_{温室气体i}为温室气体i的相对分子质量；

Emission_{外购电力二氧化碳}＝D×f_g

式中，D为企业的外购电力量，MWh；f_g为外购电力排放因子，t-CO₂/MWh；

式中，j为按压力划分的蒸汽类型；AD_j耗汽为j类蒸汽消耗量，t；K_j蒸汽为j类蒸汽按热值折算标煤的折标准煤系数；为标准煤的二氧化碳排放因子，2.47t-CO₂/t。

10.根据权利要求9所述的一种温室气体排放在线监测方法，其特征在于：所述独立计算模块在应用于有生物质燃料燃烧的行业时，须计算生物质排放量并取生物质排放量为负值。