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

一、工業鍋爐的碳平衡

    根據物質平衡原理，在工業鍋爐穩定工況下，進入鍋爐的碳元素質量與鍋爐輸出的碳元素質量保持動態平衡。而進入鍋爐的碳為入爐燃料中的碳量(應用基含碳量?單位時間用煤量)以及助燃空氣中的碳量；輸出鍋爐的碳量包括鍋爐漏煤含碳量、灰渣含碳量、飛灰含碳量以及排煙中的含碳量(煙氣中CO₂、CO、C_nH_m的含碳量)。從化學反應的角度看，助燃空氣中的碳在進出鍋爐系統前后沒有發生化學變化(均為CO₂)，而燃料中的碳在進出鍋爐燃燒系統后其中小部分碳未參與燃燒(仍以碳分子的形態輸出)，大部分碳被完全燃燒(變成CO₂)或不完全燃燒(轉為CO、C_nH_m)。因此，工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等于不參與化學反應的固態碳(漏煤含碳、灰渣含碳、飛灰含碳)與參與化學反應后以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制指南(2007)》認為，由于CO在大氣中是不穩定的氣體，它們在紫外線的作用下最終將在大氣中氧化轉變為CO₂，這個轉變時間(如10年)相對于CO₂在大氣中的存在壽命(百年以上)而言是相對短暫的。因此，從碳排放研究角度出發，工業鍋爐燃料消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。通過上述對工業鍋爐碳平衡模式的研究，可將工業鍋爐碳平衡概念從能源環境角度概括為:供給工業鍋爐的碳量最終以參與化學反應的碳和不參與化學反應的碳兩種形式排放入環境。前者的形態是氣體，主要由CO₂、CO和CH₄組成，成為主要的溫室氣體；后者為固體，構成固體廢棄物排放源的一部分。以溫室氣體的研究為目標來說，碳平衡模式表明可通過兩個途徑來計算以供給碳量為基準的工業鍋爐燃燒過程中的碳的氧化率，即從煙氣側和從固體不完全燃燒側。
    1.碳氧化率計算方法一
    采用正平衡方法計算碳氧化率，即從煙氣側參與化學反應的碳平衡角度來計算碳的氧化率的方法，可用如下公式進行計算:
    若不考慮非二氧化碳含碳氣體的特殊性，可用式(1)進行計算:
    R=(C₂ C₃)/C₀=C₁/C₀  (1)
    若單獨考慮非二氧化碳含碳氣體，可用式(2)進行計算:
    R′=C₂/C₀  (2)
    利用式(1)來計算碳氧化率有以下兩種情況:
    一是根據熱平衡的測試數據，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數據計算R，其計算過程如下:
    認為燃料由C、H、O、S、N元素組成，設燃料中各種元素的質量百分比為gC、gH、gS、gO、gN，則有:
    gC gH gS gO gN=1  (3)
    或C_ar H_ar S_ar O_ar N_ar=100  (4)
    通過煤的工業分析，計算理論空氣量V⁰(Nm³/kg)，即
    V⁰=0.0889(C_ar 0.375S_ar) 0.265H_ar-0.0333O_ar  (5)
    RO₂容積(Nm³/kg):
    
    理論氮氣容積(Nm³/kg):
    
    理論水蒸氣容積(Nm³/kg):
    V⁰_H2O=0.111H_ar=0.0124W_ar 0.0161V⁰  (8)
    排煙處水蒸氣容積(Nm³/kg):V_H2O=V⁰_H2O 0.0161(α_py-1)V⁰  (9)
    排煙處干煙容積(Nm³/kg):
    V_gy=V_RO2=V⁰_N2 (α_py-1)V⁰  (10)
    式中:α_PY??排煙處過?？諝庀禂?；C_ar??收到基碳，%；H_ar??收到基氫，%；O_ar??收到基氧，%；S_ar??收到基硫，%；N_ar??收到基氮，%；W_ar??收到基水分，%。
    計算排煙處煙氣的容積V_PY(Nm³/kg)，即
    V_PY=V_gy V_H2O  (11)
    根據煙氣分析的測試數據，利用樣品已實測的排煙處CO₂的容積百分比數據計算得到排煙處煙氣容積等數據:
    計算在標準狀態下每公斤燃料所產生的CO₂體積(Nm³/kg)，即
    V_CO2=V_PY?〔CO₂〕?(100-q₄)/100  (12)
    式中:〔CO₂〕??排煙處CO₂的體積分數；q₄??固體未完全燃燒的熱損失，%。
    由于q₄一般小于10%(多數小于5%)，故在運算中，如果q₄的數據來源不可靠，可選取一個推薦值，其對計算結果帶來的誤差是可以接受的。
    計算每公斤燃料產生的煙氣中CO₂的重量，以碳計(kg-C)，得
    C₂=V_CO2?44/22.4?12/44  (13)
    計算碳氧化率(%):
    R=C₂/C₀  (14)
    2.碳氧化率計算方法二
    采用正平衡方法計算碳氧化率，首先必須區分煙氣中的氣態碳(CO₂/CO/C_nH_m)，哪些為燃料燃燒產生的氣態碳，以及哪些為入爐空氣(一次風、二次風、三次風、漏風)攜帶的氣態碳，這個辨別過程相對復雜且難以保證準確度。而采用反平衡方法計算工業鍋爐的碳氧化率，只需考慮單位時間入爐燃料中未參與化學反應的碳量，不考慮非二氧化碳含碳氣體的特殊性，計算公式如下:
    R=(1-C_e/C₀)?100%  (15)
    式中:R??工業鍋爐燃燒過程中碳的氧化率(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參與化學反應的碳量；C₀??單位時間入爐燃料中的碳量。
    式(15)中的未參加化學反應的固態碳排放量C_e，對工業鍋爐來說，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。如果知道了這三部分損失的含碳量，就可以計算在不單獨考慮非二氧化碳含碳氣體碳排放條件下的氧化率R，而灰渣、飛灰和漏煤中攜帶的碳量可由熱平衡測試結果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??鍋爐穩定運行時單位時間的灰渣產量，kg/h；C_hz??灰渣中的含碳量百分比，%:G_fh??鍋爐穩定運行時單位時間的飛灰產量，kg/h；C_fh??飛灰中的含碳量百分比，%；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??單位時間入爐燃料量，kg/h；C_ar??鍋爐燃料的應用基含碳量，%。
    3.碳氧化率計算方法三
    碳氧化率計算方法三為基于能量守恒的碳氧化率計算方法，以鍋爐能量消耗總量計算理論煤的消耗量，在不考慮非二氧化碳含碳氣體的特殊性時得到參加燃燒反應碳的量，通過進入爐膛煤的總量來計算碳氧化率:
    Q_out=Q_h Q_w Q_g Q_s  (17)
    式中:Q_out??煤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??爐渣排放損失的物理顯熱，kJ/h；Q_g??煙氣排放的損失熱量，kJ/h；Q_w??工業爐爐壁散失熱量，kJ/h。
    通過鍋爐實際運行過程的出力可知Q_h，通過煙氣溫度及組分的測量可知Q_g，通過排渣的溫度可知Q_s，通過爐壁面積、溫度及環境溫度可知Q_w。
    通過Q_out反推可以知道理論耗煤比:
    
    式中:Q₁??入爐燃料所帶進的實際熱量，kJ/h。
    通過理論耗煤比可知理論上參加燃燒反應的碳的量:
    m_c=m?g_c  (19)
    由此可以計算該鍋爐的碳氧化率:
    
    式中:G_ar??單位時間入爐燃料量，kg/h；C_ar??鍋爐燃料的應用基含碳量，%。
    方法三認為燃料中的可燃成分有m部分被氧化發熱了，然后用燃料中的總含碳量乘以m即得出參加反應的碳量。由于燃料中的各種可燃成分燃燒程度不同步，故方法三主要應用于固體燃料以計算碳氧化率。
    圖1是在我國不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均碳氧化率測算