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Metrology of Carbon Emissions from Fossil Fuel Combustion Using Fuel Analysis Methods
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摘要: 准确测定温室气体的排放量是实现温室气体减排目标的基础。化石燃料的燃烧是温室气体的主要来源，在固定燃烧源燃烧煤、燃油或天然气，排放的二氧化碳可以使用燃料分析方法测定。燃料分析法包含两种方法，方法1使用燃料的发热量和排放因子确定二氧化碳排放量；方法2使用燃料的碳含量和氧化率来计算二氧化碳排放量。详细介绍了方法1和方法2的分析步骤、测量方法、仪器、校准方法和不确定度评定，包括基准热量计、发热量、元素含量和天然气成分标准物质、检定规程和校准规范在内的计量技术，保障了二氧化碳排放量测定结果的准确可靠、等效一致。Abstract: Accurate quantification of greenhouse gas (GHG) emissions is fundamental to achieving greenhouse gas reduction targets. The combustion of fossil fuels, including coal, fuel oil, and natural gas, is a predominant source of GHG emissions. This study focuses on the determination of carbon dioxide (CO2) emissions from stationary combustion sources using fuel analysis methods. Two distinct methods are presented: Method 1 utilizes the fuel’s calorific value and emission factor to ascertain the CO2 emissions, while Method 2 employs the fuel’s carbon content and oxidation rate for this determination. This paper elaborates on the procedural steps, analytical methodologies, instrumentation, calibration techniques, and uncertainty assessments applied in both methods. Comprehensive metrological techniques encompassing primary calorimeters, certified reference materials for calorific values, elemental contents, and natural gas components, as well as verification regulations and calibration protocols, are employed to ensure the accuracy, reliability, and consistency of the CO2 emission determinations.
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Key words:
- metrology /
- carbon dioxide /
- fossil fuels /
- calorific value /
- carbon content /
- uncertainty
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表 1 燃料分析用到的标准物质
Table 1. Reference materials utilized in fuel analysis
标准物质编号 名称 生产者 标准值 扩展不确定度 (U) GBW 13201 苯甲酸 中国计量科学研究院 高位发热量: 26436 J/g 6 J/g GBW (E) 130035 苯甲酸 中国计量科学研究院 高位发热量: 26458 J/g 26 J/g GBW(E) 130401 异辛烷 中国计量科学研究院 高位发热量: 47777 J/g 57 J/g GBW 06203 乙酰苯胺 中国计量科学研究院 碳含量: 710.87 mg/g 0.03 mg/g 氢含量: 67.12 mg/g 0.02 mg/g 氮含量: 103.63 mg/g 0.01 mg/g GBW 06204 二苯并噻吩 中国计量科学研究院 碳含量: 782.17 mg/g 0.05 mg/g 氢含量: 43.77 mg/g 0.01 mg/g 硫含量: 174.03 mg/g 0.05 mg/g GBW 11101-11113 烟煤、无烟煤 煤炭科学研究总院 高位发热量: 21000～31000 J/g 120 J/g 碳含量: 540～810 mg/g 3.6 mg/g 氢含量: 9.3～47 mg/g 1.0～1.2 mg/g 硫含量: 3.9～41.1 mg/g 0.4～1.2 mg/g 
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表 2 各种燃料的排放因子（来自IPCC 2006版[1]）
Table 2. Emission factors of various fuels (adapted from IPCC 2006 edition[1])
燃料 排放因子默认
值(kg CO2/TJ)下限
(kg CO2/TJ)上限
(kg CO2/TJ)默认值相对
不确定度Ur无烟煤 98300 94600 101000 3.77% 炼焦煤 94600 87300 101000 7.72% 其他烟煤 94600 89500 99700 5.40% 原油 73300 71100 75500 3.01% 汽油 69300 67500 73000 5.34% 柴油 74100 72600 74800 2.03% 煤油 71900 70800 73700 2.51% 天然气 56100 54300 58300 3.93%
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表 3 不同原理的元素分析仪的对比
Table 3. Comparison of elemental analyzers based on different principles
编号 气体产物中待测组分 分离方式 检测器 待测元素 1 CO2, H2O, N2, SO2 捕集阱 TCD C, H, N, S 2 CO2, H2O, N2, SO2 色谱柱 TCD C, H, N, S 3 CO2, H2O, N2 / IR
TCDC, H
N4 CO2, SO2 / IR C, S 5 SO2 / IR S 注：TCD为热导检测器； IR为红外检测器。
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表 4 两种方法计算得到的CO2排放量计算结果
Table 4. Calculation results of CO2 emissions obtained by two methods
Mad
(%)Mt
(%)Qgr,d
(J/g)Qgr,ad
(J/g)Hd
(%)Had
(%)Qnet,ar
(J/g)EF
(kgCO2/TJ)$E_{{\rm{CO}}_{2}, 1} $
(g)Cd
(%)Car
(%)$E_{{\rm{CO}}_{2}, 2} $
(g)Δr$E_{{\rm{CO}}_2} $
(%)4.36 8.71 26042 24907 3.56 3.40 22904 94600 2.167 68.0 62.1 2.254 3.88 4.50 9.20 30644 29265 4.44 4.24 26783 94600 2.534 76.3 69.3 2.516 0.72 3.80 8.50 31102 29920 4.53 4.36 27409 94600 2.593 76.0 69.6 2.525 2.68
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表 5 两种方法测定的燃煤CO2排放量的不确定度
Table 5. Uncertainty of CO2 emissions from coal combustion measured by two methods
方法 ur(m) ur(q) ur(EF) ur(cC) ur, Sampling Ur( $E_{{\rm{CO_2}}} $) 1 0.29% 0.29% 3.86% / 1.12% 8.1% 2 0.29% / / 0.60% 1.12% 2.7%
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表 6 两种方法计算的典型天然气燃烧排放的CO2排放量（以1 m3天然气计）
Table 6. CO2 emissions from typical natural gas combustion calculated using two methods (expressed per 1m3 of natural gas)
天然气编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 组分 mj mj mj mj mj mj mj mj mj C1 100 90 90 90 90 90 85 85 80 C2 0 10 5 7 5 3 5 2 5 C3 0 0 5 3 3 2 4 2 3 i-C4 0 0 0 0 2 2 3 2 2 n-C4 0 0 0 0 0 1 2 3 2 neo-C5 0 0 0 0 0 1 1 2 2 i-C5 0 0 0 0 0 0 0 2 2 n-C5 0 0 0 0 0 0 0 2 1 C6+ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 CO2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 N2 0 0 0 0 0 1 0 0 0 He 0 0 0 0 0 0 0 0 0 H2 0 0 0 0 0 0 0 0 3 SO2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 H2S 0 0 0 0 0 0 0 0 0 总计 100 100 100 100 100 100 100 100 100 低位发热量(25℃, MJ/m3) 32.87 35.44 36.71 36.20 37.21 37.63 41.02 46.80 43.33 默认排放因子(kgCO2/TJ) 56100 56100 56100 56100 56100 56100 56100 56100 56100 CO2排放量(kgCO2,方法1) 1.844 1.988 2.059 2.031 2.088 2.111 2.301 2.626 2.431 天然气摩尔质量(g/mol) 16.043 17.446 18.147 17.867 18.428 18.968 20.532 22.355 21.654 天然气密度(kg/m3) 0.657 0.715 0.744 0.732 0.755 0.777 0.842 0.917 0.888 天然气的碳元素含量(kg/kg) 0.749 0.757 0.761 0.760 0.763 0.754 0.772 0.779 0.777 CO2排放量(kgCO2,方法2) 1.784 1.963 2.053 2.017 2.089 2.125 2.358 2.592 2.502 方法1的相对误差 3.34% 1.28% 0.31% 0.69% −0.05% −0.65% −2.40% 1.30% −2.83% 注：mj为组分的摩尔百分数，%；C1为甲烷；C2为乙烷；C3为丙烷；i-C4为异丁烷；n-C4为正丁烷；neo-C5为新戊烷；i-C5为异戊烷；n-C5为正戊烷；C6+为碳数大于或等于6的烷烃；N2为氮气；He为氦气；H2为氢气；SO2为二氧化硫；H2S为硫化氢。
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