张亮：十年磨一剑，研制“双碳”战略下碳监测的国家标尺

　　中国计量科学研究院（简称：中国计量院）为国家最高计量科学研究中心和国家级法定计量技术机构，担负着确保国家量值统一和国际一致、保持国家最高测量能力、支撑国家发展质量提升等使命。实现“碳达峰、碳中和”，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，而实现对企业污染物和温室气体排放的精准测量，不仅是我国市场监管的重要依据，更对我国“双碳”策略实施起到至关重要的作用。近日，分析测试百科网采访了中国计量科学院副研究员、郑州中心排放源计量所所长张亮博士，他分享了我国环境污染物和温室气体排放精准监测方面的进展与成果。

中国计量科学研究院副研究员、现任郑州中心排放源计量所所长 张亮

10年磨一剑，解决CEMS测量的准确性

　　2010年，张亮从清华大学热能工程系（现更名：能源与动力能源工程系）博士毕业，面对众多就业机会，张亮选择了计量院，从事了与自己博士研究课题更接近的污染物测量研究工作。研究工作的持续性，是张亮日后工作取得突破性进展的一个重要因素。

　　张亮介绍说，监管部门监测污染物或温室气体排放，使用烟道连续排放监测系统（CEMS）可以实时获得监测数据，包括：包括：SO₂、NOx、颗粒物、含氧量、温度、湿度、流量等，利于环境的动态监测。同时，CEMS也是《HJ 76-2017 固定污染源烟气（SO₂、NOX、颗粒物）排放连续监测系统技术要求及检测方法》和《HJ 75-2017 固定污染源烟气（SO₂、NOX、颗粒物）排放连续监测技术规范》规定的标准方法。

　　但当前监测的难点是：CEMS的在线检测结果，与便携式装备检测数据比对时存在非常明显的差异。所以包括环保部门在内，普遍认为CEMS获得数据结果的可靠性令人质疑，直接影响了其作为市场监管和执法依据的实施。

　　从2012年开始，张亮花了10年的时间来解决CEMS准确性问题，后来还与美国国家标准技术研究院NIST合作，开展了“排放源的测量” 研究。最后的研究成果，可以把CEMS测值偏差控制在5%以内，相比以前有了质的飞跃。

建立流量计量标准模型，提高CEMS的流量检测准确性

　　理想状况下，某一物质单位时间的排放量等于其所在流体流量乘以其在流体中的浓度。首先要攻克流量测定不准确的难题。张亮介绍说：CEMS测量结果依据是实验室中的理想模型，但在实际烟道中的情况远复杂于理想模型。点流速测量的复杂性主要来源于三大因素：首先，实验室仅采用轴向流速风洞模型，在实际复杂体系中，校准系数会发生很大变化。其次，实验室在低湍流度风洞中进行校准，在实际高湍流度的烟气中使用时偏离较大。第三，是实际气体流场的俯仰角和偏航角不同于实验室模拟情况。上述因素造成了30-50%的测量偏差。同时，在实验室仅校正了点流速，在现场比对时要获得的是截面平均流速，积分的准确度此前也没有考虑。

　　在解决点流速测量准确度方面，张亮团队研制了非对象三维皮托管代替传统的皮托管，将点流速的测量准确度提高到1%，取得了突破性的进步。该技术还可直接插入测量，无需多次旋转操作，大幅提高了测试速度。

　　团队还建立了三维皮托管的量值传递体系。首先使用转盘的转速，然后溯源给激光多普勒LDA的速度，再用LDA在烟道流速计量标准装置中，对三维皮托管测定的点流速在不同角度下进行校准。一根三维皮托管需校准4000个不同的工况，保证数据的准确性。

　　在此基础上，团队搭建了烟道流速计量标准装置，可模拟不同的烟气条件进行校准，通过改变内部的温度、含水量、气体成分、湍流度、流速等相关参数，模拟真实的烟气条件，实现流速测定的准确度达到1%。

　　考虑平均流速方面，团队搭建了一套烟道流量计量标准装置，对积分方法进行不同的验证和研究，建立了从点流速到面平均流速的积分方法，并能够评估不同测量方法的准确性。团队还研制了烟道流量现场校准装置，确保便携设备的准确性，从而实现了实验室的计量装置量传到现场计量装置，现场计量装置，再对厂区CEMS进行比对，保证CEMS的数据准确性。

图1 烟道流量计量标准装置

　　该烟道流量计量标准装置基于高分辨率的激光多普勒技术，实现了高精度原值流量的测量，不确定度为4.2‰，未来有望继续提升到3.3‰。同时，它是国内唯一测量流量范围超过4万立方米/小时的装置，达到19万立方米/小时；而通过第2级量值传递到现场后，流量范围可扩展到1000万立方米/小时，实现现场烟道流量的校准。

　　团队研制的这套烟道流量量值传递系统，在国际上处于前两位的水平，仅有美国NIST和中国计量院具有相关技术能力。张亮表示：未来我们还将探索基于声学的方式进行现场测量，有望实现国际的首次突破。

研发含水标气 提升浓度测定的准确度

　　在浓度测量方面，传统使用干标气对CEMS进行校准。但实际烟气中水蒸气含量有时高达30%。当前CEMS类监测仪器多使用基于红外或者紫外吸收光谱的方法来测量，水的存在对实际测量产生很大干扰，烟气中的水份是自然误差的主要来源。比如先用干标气标定，加入5%~15%的水蒸汽后再次标定，结果偏差达到20%~30%。张亮团队研制了一套含水标气的发生系统，大幅提升了烟气浓度测量的准确度。

研制烟气颗粒物浓度校准设备

　　在颗粒物测量方面，CEMS和便携设备的比对存在类似问题。当前CMES通过等速采样的方式采集颗粒物，采样口抽气的流速默认等于烟道中的流速。但当流速并不沿轴向时会存在两个问题，首先，现有的颗粒物采样器，在使用S型皮托管进行流速测量时，可能存在30%~50%的偏差，这造成等速采样时采样口流速没有真正和烟气流速相同。使用前述非对象三维皮托管，可提升流速测量数值的准确性，实现真正的等速。

　　其次，当气流并不是垂直采样口截面时，等速采样的方法是否还有效？张亮团队正在搭建一套颗粒物浓度校准装置，通过该装置能够定量地产生已知浓度的颗粒物，然后用该设备来比对现场的颗粒物采样器，在不同的流速俯仰角和偏航角条件下进行校准。“未来，我们团队将继续优化现场颗粒物采样器的准确度，整体提升CEMS的准确性。”张亮说到。

图2 烟道流量计量标准装置

应用反演模型，“自上而下”实现对无组织排放的精准测量

对非组织排放量和位点的确定

　　无组织排放指大气污染物不经过排气筒的无规则排放。我国企业无组织排放数量极为可观，并且污染来源广泛。环境监测部门长期以来一直没有有效手段来监测企业的无组织排放量和排放位点。

　　为解决这一难题，张亮团队基于小区域反演模型开发了无组织排放测量方法：通过在排放企业周围建立4到5个大气浓度监测点和一个小型便携式气象站，对大气中二氧化硫、氮氧化物、颗粒物或VOCs进行连续在线浓度监测。通过小区域反演模型，能够计算出企业无组织排放的位置，以及每个位置的排放量。测量位置的精度可达25米，排放量的精度达到10%~15%。为了对该方法进一步校准，团队还研制了可控释放装置对无组织排放测量系统进行在线校准。

图3 车载监测系统

　　此外，张亮团队联合英国国家物理研究所共同研制了移动差分吸收激光雷达系统。该检测系统集成在车载集装箱内，在抽查检测时，开着移动监测车，可以随时随地扫描和测量企业的无组织排放，对不同的监测物质，其扫描半径在1到10千米之间，基本可覆盖一个厂区，不确定度约为20%，空间分辨率达到7米。大型工业园区可驾驶这辆“移动雷达”，在园区进行扫描、监测。

　　基于这些先进检测手段和研究思路，张亮团队成功攻克了以前看似“无解”的技术难关，不仅实现了对无组织排放物的精准测量，还为城市大气污染和温室气体排放工作打下基础。

对城市污染物和温室气体的精确测定

　　通过将固定和移动监测技术相综合，张亮团队建立了“城市大气污染物和温室气体排放量的施工精准检测技术”，该技术包含两个方面：“自下而上”的排放清单测量和“自上而下”基于反演的测量。

　　如果将城市划分为1km x 1km的网格，准确测定每个网格内1小时的污染物和温室气体排放量，就可以知道整个城市的排放量。因此需要列出一个明确的排放清单，以分清排放的主体。团队只需要对排放清单中的企业排放、交通排放、居民排放等进行精准测量，便可获得一份属于网格中污染物或是温室气体排放的精准数据。

　　然而，获得城市每一千米网格数据并不容易。以郑州市为例，7568平方千米就意味着需要测量7567个网格，这意味着需要建立上万个监测站和庞大的数据量。“自上而下”的反演测量便解决了这一问题。

　　“我们只需要十几个监测站收集排放清单上各主体排放量的数据，再通过高空监测站传感器对城市整体污染物和温室气体浓度的数据进行反演模型计算，进而获得每个网格排放量。”张亮介绍道，“地面的自下而上数据清单作为初始数据，结合高空监测站监测浓度和相关参数进行修正，不断迭代，最终获得城市准确的排放数据。这就是‘自下而上’排放清单测量和‘自上而下’反演测量的意义。”

图4 企业无组织排放量设点核查

　　目前，郑州共有200家大中型企业，它们的排放量占郑州市90%以上的工业排放量。只要把这200家企业的排放量测准，就可以了解郑州的主要工业排放情况。对于初始清单来说，准确度已经足够，接下来可通过反演迭代实现对排放清单的修正。

　　然而，这些企业虽然全部安装CEMS系统，但受限于该系统缺陷，不能获得准确的烟道数据和无组织排放数据。为此，在“城市大气污染和温室气体排放量的施工精准检测技术”一期项目中，张亮团队通过前述手段对现有CEMS系统进行在线校准，配合小区域反演测量，得知80家重点企业占全市企业SO2、NOx和颗粒物排放总量的50%以上，占全市企业CO排放总量的27%，所测量企业具有较强代表性。同时发现浓度测量在企业CEMS排放量监测值误差来源中占主要部分，流量测量误差影响较小。对于烟道流量测量误差来源，流速测量误差的贡献最大，其次是截面面积和湿度，少量企业的烟气温度测量误差的贡献也比较大。在二期项目中，将对其余120家企业无组织排放进行测算，两期数据将对郑州市污染物和温室气体监测做出技术支撑。此外，郑州作为碳智慧试点城市之一，也受到了世界气象组织WMO的认可。

　　测算城市污染物和温室气体一方面有利于城市环境监管，在出现环境问题时明确责任主体，另一方面也是为了一个更长远的、更有战略意义的目标：“双碳”。

聚焦“双碳”，做好碳市场的“度量衡”

　　CEMS的精准测量和反演技术对中国实现“双碳“目标有哪些意义？

支撑国家碳排放清单的数据

　　张亮首先回顾了国际和我国在减少碳排放量方面的发展历程。1997年的《京都议定书》，要求发达国家从2005年开始承担减少碳排放量的义务，而发展中国家从2012年开始承担减排义务。2009年，中国政府宣布2020年单位GDP碳排放相比2005年下降40-45%，这是对相对减排量的承诺。

　　2015年在巴黎气候变化大会达成的《巴黎协定》上，我国提出了中国二氧化碳排放2030年左右达到峰值（碳达峰）。2020年，我国提出2060年达到 “碳中和”的目标。

　　从发展历程来看，我国从一个相对量的减排承诺发展成对绝对量的减排承诺，即2060年绝对排放量达到零值，这对碳数据质量的需求大幅提升。国家是否实现了碳达峰、碳中和，需依据该国的碳排放清单进行判断。

　　国家碳排放清单的编制经历了几代改进。从1996年发展到2019年最新的碳排放清单编制指南，有几大升级。首先，需要企业级的数据（比如CEMS的数据）来支撑国家碳排放清单数据，不能仅使用国家的整体统计数据。其次，2019年指南明确提出了基于时空反演的方式来获取区域的碳排放清单，这种全新的方式会作为基于传统统计方法的替代、校准和修正方法。张亮团队的成果对我国的碳排放清单数据可进行有力支撑。

碳市场的度量衡

　　对于每一个国家来说，实现温室气体减排的主要工具是碳市场。它有两个主要的功能：首先是降低企业减排的成本，通过企业间市场交易的手段，最终大幅降低国家减排的成本。其次，可以对低碳技术进行投融资支撑。

图5 碳交易市场的MRV方法

　　从各国来看，碳市场的交易主体是企业，比如我国参与碳市场的主要是电力企业。在碳市场交易的过程中，工业企业的排放量数据就是它的交易指标，数据的准确度就非常重要。如果碳排放量的数据偏差10%，对企业意味着上亿元费用的差异，一个企业将马上从盈利变为亏损。因此碳排放量测量的准确性，对于企业的发展和公平竞争至关重要。

　　碳排放的测量，可使用传统燃料核算的方式，也可使用CEMS等排放直接测量的方式。张亮团队比较评估了已测量的80家企业，燃料核算数据比直接测量的数据要高很多，甚至高达67%。数据质量造成的偏差，将对企业产生非常大的经济利益影响。当前，美国和欧洲，都逐渐从燃料核算法渐渐过渡到两种方法均可。

　　张亮表示：“希望我们能够作为中国碳市场的度量衡；希望能够用我们的相关技术，支撑国家碳市场的健康发展。”

对碳关税的技术支撑

　　美国和欧洲都已经提出碳关税的概念，碳价格比较低的国家生产的产品，卖到欧美等国后，需要交相应的碳关税，即如果中国碳价是50元人民币一吨，欧洲可能是50欧元一吨，这时出口企业需补差价，包括两个国家碳价的差异，还需乘以单位产品的碳排放量，即企业的碳排放量除以生产的产品量。

　　碳关税需要国际互认，碳排放量要求报告的一吨必须是排放一吨。假如欧洲不认可中国的数据，将采用欧洲同行业排放量最大的10%的企业的平均值来估算产品的排放量。因此，如果我们的测量不精准，无法获得国际互认的排放数据，将会在国家谈判和交易中吃亏。

　　张亮表示：作为碳市场的度量衡，我们实现了精准的碳排放测量；同时希望将我们的数据通过计量系统的国际比对，各国家计量院之间的国际比对，能够实现碳数据的国际互认。

　　此外，国际上很多碳市场也进行碳市场之间的链接，比如将碳排放卖到EUETS欧洲碳交易系统中。当前，我国的碳市场还没有同别的国家进行链接，其中一个主要的原因就是我国的碳数据准确性还不够高。因此，碳数据质量是国际碳市场链接的一个必要的前提条件。

　　中国计量院的核心作用，就是要保证国家整个量值的准确性，其中就包括贸易环节的准确性。在国家“双碳“战略中，计量院能够提供两大技术支撑：将数据测精准；解决以前无法测量的难题，比如对于城市碳排放，测定污染物是什么，从哪里排放出来。

聚焦郑州，辐射全国

　　谈到未来的规划，张亮表示：团队将继续以城市监测、区域性排放的时空监测为大的发展方向；在温室气体测量和污染物测量方面能够对更多的城市、区县、区域提供支撑；将国家的碳排放清单数据测定得更精准，支撑国家碳市场的健康发展。此外，团队还将更多开展同环保部门的合作，并支持更多标准的制定。

　　当前，张亮团队的城市监测项目落地郑州，已作为国际气象组织（VMO）碳智慧城市的十几个试点城市之一，开展“自上而下“基于反演的这种精准测量技术，该技术在美国的4个大城市已经得到验证。张亮表示：”希望该技术能够向更多的城市推广和应用，保证更多城市的数据准确性，并为当地政府提供相应的技术支撑，这是我们的一个主要目标。“

人物简介

　　张亮，中国计量科学研究院副研究员，现任郑州中心排放源计量所所长。

　　长期从事企业有组织排放和无组织排放计量装置的研制和计量方法研究，搭建了我国实验室烟道流量计量标准装置，测量不确定度达到世界领先水平。和美国国家标准与技术研究院NIST、韩国国家计量院KRISS进行国际比对获得良好的数据一致性。研制了高准确度烟道流量现场比对校准装置，测量不确定度比传统方法提高一个数量级，初步建立了烟道流量完整的量值溯源体系。获得省部级奖项2项，作为负责人和第一参加人承担国家重点研发计划课题和国家科技支撑计划课题3项，负责其它项目和课题4项。发表论文二十余篇，申请发明ZL5项，撰写软件著作权5项，参与撰写国家标准5项。