工業燃煤鍋爐消耗（hào）了我國煤炭的1/3，是溫（wēn）室氣體的重要來源，本文論及（jí）的是如何根據工業鍋爐的能源（yuán）計量數據估計出溫室氣體排放（fàng）量的數學（xué）物理模型。
    

一、工業鍋爐的碳平衡

    根據物質平衡原理（lǐ），在工（gōng）業（yè）鍋爐穩定工況下，進入鍋爐的碳元素質量與鍋爐輸出的（de）碳元素質量保（bǎo）持動態平衡。而進入鍋爐的碳（tàn）為入爐燃料（liào）中的碳量(應用基含碳量?單位時間用（yòng）煤量)以及助（zhù）燃空氣中（zhōng）的（de）碳量（liàng）；輸出鍋爐的碳（tàn）量（liàng）包括鍋爐漏煤含碳（tàn）量、灰渣含碳量、飛灰含碳量以及排煙中的含碳量(煙（yān）氣中CO₂、CO、C_nH_m的含碳量)。從化學反應的角度看，助燃空氣中的碳（tàn）在進（jìn）出鍋（guō）爐係統前後沒有發生化學變化(均為CO₂)，而燃料中的碳在進出鍋（guō）爐燃燒係統後其中（zhōng）小部分碳未參與燃燒(仍（réng）以碳分子（zǐ）的形態輸出)，大部分碳（tàn）被完全（quán）燃燒(變成CO₂)或不完（wán）全燃燒(轉為CO、C_nH_m)。因此，工（gōng）業鍋爐碳平衡方程式可以進一步簡化為:進入鍋爐的燃料含碳量（liàng）等於不參與化學反（fǎn）應的固態（tài）碳（tàn）(漏煤含碳、灰渣含碳、飛灰含碳)與（yǔ）參與化學反應後以CO₂/CO/C_nH_m形式進入煙氣中的氣態碳兩者之和。《IPCC國家溫室氣體排放清單編製（zhì）指南(2007)》認為，由於CO在大氣中是不（bú）穩定的氣體，它們在紫外線的作用下（xià）最終將在大氣中氧化轉變為CO₂，這個轉（zhuǎn）變時間(如10年)相對於CO₂在大氣中的存在壽命(百年以上（shàng）)而言是相對短暫的。因此，從碳排放研（yán）究角度出發（fā），工業鍋爐燃料消（xiāo）耗的碳完全反應排放和不完全反應排放對氣候變化而言效果幾乎是一樣的，這樣簡化處理也使得估算方法在不影響準確性的（de）前提下更加簡單直接。
    

二、工業鍋爐的碳氧化率計算方法

    鍋爐的熱效率計算有正反平衡法兩種，工業鍋爐的碳氧化率也可以根據碳平衡方程式有正反平衡兩種計算方法。通（tōng）過上述（shù）對工業（yè）鍋爐碳平衡模式的研究（jiū），可將工業鍋爐碳平衡概念從能源環境角度概括為:供給工業鍋（guō）爐的碳量最終以（yǐ）參與化學反應的碳和不參與化學（xué）反應的碳兩種形式排放入環境（jìng）。前者的形態是氣體，主（zhǔ）要由CO₂、CO和CH₄組成，成（chéng）為（wéi）主要的溫室氣體（tǐ）；後者為固體，構成固體廢棄物排放（fàng）源的（de）一（yī）部分。以溫室氣體的研究為目標（biāo）來說，碳（tàn）平衡模式表明可通過兩個（gè）途徑來計算以供給碳量為基準的工業鍋爐燃燒（shāo）過程中的碳的氧化率，即從煙（yān）氣側和從固體不完全燃燒側。
    1.碳（tàn）氧化率計算方法一
    采用正平衡方法（fǎ）計算碳氧化（huà）率，即從煙氣側參與化學（xué）反應的碳平衡角度來計算碳的氧化率的方法，可用如下公式（shì）進行計算:
    若不考（kǎo）慮非二氧化碳含碳（tàn）氣體的特殊（shū）性，可用式(1)進行計（jì）算:
    R=(C₂ C₃)/C₀=C₁/C₀  (1)
    若單獨考慮非二氧化碳含（hán）碳氣體，可用式(2)進行計（jì）算:
    R′=C₂/C₀  (2)
    利用式(1)來計算碳氧化率有以下兩種情況:
    一是根據熱平衡（héng）的（de）測試數據，利用實測得到的排煙處RO₂、CO和O₂的容積百分比，再根據各種燃料特性（xìng）數據計算（suàn）R，其計算（suàn）過程如下（xià）:
    認為燃料由C、H、O、S、N元素組（zǔ）成，設燃料中各種元素的質量百分比為gC、gH、gS、gO、gN，則（zé）有:
    gC gH gS gO gN=1  (3)
    或C_ar H_ar S_ar O_ar N_ar=100  (4)
    通過煤的工（gōng）業分析，計算理論（lùn）空氣量V⁰(Nm³/kg)，即
    V⁰=0.0889(C_ar 0.375S_ar) 0.265H_ar-0.0333O_ar  (5)
    RO₂容積(Nm³/kg):
    
    理論氮（dàn）氣容積(Nm³/kg):
    
    理論水蒸（zhēng）氣容積(Nm³/kg):
    V⁰_H2O=0.111H_ar=0.0124W_ar 0.0161V⁰  (8)
    排煙（yān）處水蒸氣容積(Nm³/kg):V_H2O=V⁰_H2O 0.0161(α_py-1)V⁰  (9)
    排煙處幹煙容積(Nm³/kg):
    V_gy=V_RO2=V⁰_N2 (α_py-1)V⁰  (10)
    式中:α_PY??排煙處過剩空氣係數；C_ar??收到（dào）基碳，%；H_ar??收到基氫，%；O_ar??收到基氧（yǎng），%；S_ar??收到基硫，%；N_ar??收到基氮，%；W_ar??收（shōu）到基水（shuǐ）分，%。
    計算排煙（yān）處煙氣的容積V_PY(Nm³/kg)，即
    V_PY=V_gy V_H2O  (11)
    根（gēn）據煙氣（qì）分析的測（cè）試數據，利用樣（yàng）品已實測的排煙處CO₂的容積百分比數據計算得到排煙處煙氣容（róng）積（jī）等數據:
    計算在標準狀態下每公斤燃料所產生（shēng）的CO₂體積(Nm³/kg)，即
    V_CO2=V_PY?〔CO₂〕?(100-q₄)/100  (12)
    式中:〔CO₂〕??排煙處CO₂的體積分（fèn）數；q₄??固體未完全燃燒（shāo）的熱（rè）損失，%。
    由於q₄一般小於10%(多數小於5%)，故在運算中，如果q₄的數據來源不（bú）可靠，可選取一個（gè）推薦值，其對（duì）計算結果帶來（lái）的誤（wù）差是（shì）可以接受的。
    計算（suàn）每（měi）公斤燃料產生的煙（yān）氣中CO₂的（de）重量，以（yǐ）碳計(kg-C)，得（dé）
    C₂=V_CO2?44/22.4?12/44  (13)
    計算碳（tàn）氧化率(%):
    R=C₂/C₀  (14)
    2.碳氧（yǎng）化率計算方法二
    采（cǎi）用正平（píng）衡方法計算碳氧化率，首先必須區分（fèn）煙氣中的氣態碳（tàn）(CO₂/CO/C_nH_m)，哪些為燃料燃燒產（chǎn）生的氣態碳，以（yǐ）及哪些為入爐空氣(一次（cì）風、二次風、三次風、漏（lòu）風)攜帶的氣態碳，這（zhè）個辨別過程相對複雜且難以保證準確度。而采用反平衡（héng）方法計算工業（yè）鍋爐的碳氧化率，隻需考慮單位時間入（rù）爐燃料中（zhōng）未參與化學反應的碳量，不考慮非（fēi）二氧（yǎng）化碳含碳氣體的（de）特殊性（xìng），計算公式（shì）如下:
    R=(1-C_e/C₀)?100%  (15)
    式中（zhōng）:R??工業鍋爐燃燒過程（chéng）中碳（tàn）的氧（yǎng）化率(包括CO₂和CO等含碳化合物)用百分數表示；C_e??單位時間入爐燃料中未（wèi）參與化學反應的（de）碳量（liàng）；C₀??單位時間（jiān）入爐燃（rán）料中（zhōng）的碳量。
    式(15)中（zhōng）的未參加化學反（fǎn）應的固態碳排放量C_e，對工業（yè）鍋爐（lú）來說，按碳平衡模式分析主要由灰渣損失、飛灰損失和漏煤損失三部分組成。如（rú）果知道了這三部分損失的含碳量（liàng），就可以計（jì）算在不單獨考慮（lǜ）非二氧化碳含碳氣體碳排放條件下的氧化率R，而（ér）灰渣、飛灰和漏煤中攜帶（dài）的碳量可由熱平衡測試結果（guǒ）中直接得到或計算獲得，因此式(15)演化為式(16):
    R=(1-C_e/C₀)?100%=100%-(G_hz?C_hz G_fh?C_fh G_1m?C_1m)/(G_ar?C_ar)?100%  (16)
    式中:G_hz??鍋（guō）爐穩定運行時（shí）單位時間的灰（huī）渣產（chǎn）量，kg/h；C_hz??灰渣中的（de）含碳（tàn）量百分比，%:G_fh??鍋爐穩定（dìng）運（yùn）行時單位時間的飛灰（huī）產量，kg/h；C_fh??飛灰中的含（hán）碳量百分（fèn）比，%；G_1m??鍋爐穩定運行時單位時間的漏煤量，kg/h；C_1m??漏煤中的含碳量百分比，%；G_ar??單位時間（jiān）入爐燃料量，kg/h；C_ar??鍋爐燃（rán）料的應用基含碳量，%。
    3.碳氧化率（lǜ）計算方法三
    碳氧（yǎng）化率計算方法三為基於能量守恒的碳氧化率計算方法，以鍋爐能量消耗總量計（jì）算理論煤的消耗量，在不考慮非二氧化碳含碳氣體的特殊性時得到參（cān）加燃燒反應碳的量，通過進入爐膛煤的總量（liàng）來計算碳（tàn）氧（yǎng）化率:
    Q_out=Q_h Q_w Q_g Q_s  (17)
    式中:Q_out??煤（méi）燃燒過程放出的全部熱量，kJ/h；Q_h??工業爐實際利用熱量，kJ/h；Q_s??爐渣排放損失（shī）的物理顯熱，kJ/h；Q_g??煙氣排放的（de）損失熱量，kJ/h；Q_w??工（gōng）業爐爐壁（bì）散失熱量，kJ/h。
    通過鍋爐實際運行過程的出力（lì）可知Q_h，通過煙氣溫度及組分的測量可知（zhī）Q_g，通過排渣的（de）溫（wēn）度可知Q_s，通（tōng）過爐壁（bì）麵積（jī）、溫度及（jí）環境溫度可知Q_w。
    通過Q_out反推可以知（zhī）道（dào）理論耗煤比:
    
    式（shì）中:Q₁??入爐燃料所（suǒ）帶進（jìn）的實際熱量，kJ/h。
    通過理論耗煤比可知理論上參加燃（rán）燒反（fǎn）應的碳的量:
    m_c=m?g_c  (19)
    由此可以（yǐ）計算該鍋爐的碳氧化率:
    
    式（shì）中:G_ar??單位時間入爐燃料量（liàng），kg/h；C_ar??鍋爐燃料的應（yīng）用基含碳量，%。
    方法三認為燃料中的可燃成分有m部分被氧化發熱了，然後用燃料中的總含碳量乘以m即得（dé）出參加反應的碳量。由於燃料中的各種可燃成分燃燒程度（dù）不同步，故方法三主要應用於（yú）固體燃料以計算碳氧化（huà）率。
    圖1是在我國不（bú）同地區選取的不同容量的燃煤工業鍋爐的典型碳氧化率曲線。
    

圖1  不同地區各容量工業鍋爐平（píng）均碳（tàn）氧（yǎng）化率測算