工业燃煤锅炉消耗了我国煤炭的1/3，是温室气体的重要来源，本文论及的是如何根据工业锅炉的能源计量数据估计出温室气体排放量的数学物理模型。
    

一、工业锅炉的碳平衡

    根据物质平衡原理，在工业锅炉稳定工况下，进入锅炉的碳元素质量与锅炉输出的碳元素质量保持动态平衡。而进入锅炉的碳为入炉燃料中的碳量(应用基含碳量?单位时间用煤量)以及助燃空气中的碳量；输出锅炉的碳量包括锅炉漏煤含碳量、灰渣含碳量、飞灰含碳量以及排烟中的含碳量(烟气中CO₂、CO、C_nH_m的含碳量)。从化学反应的角度看，助燃空气中的碳在进出锅炉系统前后没有发生化学变化(均为CO₂)，而燃料中的碳在进出锅炉燃烧系统后其中小部分碳未参与燃烧(仍以碳分子的形态输出)，大部分碳被完全燃烧(变成CO₂)或不完全燃烧(转为CO、C_nH_m)。因此，工业锅炉碳平衡方程式可以进一步简化为:进入锅炉的燃料含碳量等于不参与化学反应的固态碳(漏煤含碳、灰渣含碳、飞灰含碳)与参与化学反应后以CO₂/CO/C_nH_m形式进入烟气中的气态碳两者之和。《IPCC国家温室气体排放清单编制指南(2007)》认为，由于CO在大气中是不稳定的气体，它们在紫外线的作用下最终将在大气中氧化转变为CO₂，这个转变时间(如10年)相对于CO₂在大气中的存在寿命(百年以上)而言是相对短暂的。因此，从碳排放研究角度出发，工业锅炉燃料消耗的碳完全反应排放和不完全反应排放对气候变化而言效果几乎是一样的，这样简化处理也使得估算方法在不影响准确性的前提下更加简单直接。
    

二、工业锅炉的碳氧化率计算方法

    锅炉的热效率计算有正反平衡法两种，工业锅炉的碳氧化率也可以根据碳平衡方程式有正反平衡两种计算方法。通过上述对工业锅炉碳平衡模式的研究，可将工业锅炉碳平衡概念从能源环境角度概括为:供给工业锅炉的碳量最终以参与化学反应的碳和不参与化学反应的碳两种形式排放入环境。前者的形态是气体，主要由CO₂、CO和CH₄组成，成为主要的温室气体；后者为固体，构成固体废弃物排放源的一部分。以温室气体的研究为目标来说，碳平衡模式表明可通过两个途径来计算以供给碳量为基准的工业锅炉燃烧过程中的碳的氧化率，即从烟气侧和从固体不完全燃烧侧。
    1.碳氧化率计算方法一
    采用正平衡方法计算碳氧化率，即从烟气侧参与化学反应的碳平衡角度来计算碳的氧化率的方法，可用如下公式进行计算:
    若不考虑非二氧化碳含碳气体的特殊性，可用式(1)进行计算:
    R=(C₂ C₃)/C₀=C₁/C₀  (1)
    若单独考虑非二氧化碳含碳气体，可用式(2)进行计算:
    R′=C₂/C₀  (2)
    利用式(1)来计算碳氧化率有以下两种情况:
    一是根据热平衡的测试数据，利用实测得到的排烟处RO₂、CO和O₂的容积百分比，再根据各种燃料特性数据计算R，其计算过程如下:
    认为燃料由C、H、O、S、N元素组成，设燃料中各种元素的质量百分比为gC、gH、gS、gO、gN，则有:
    gC gH gS gO gN=1  (3)
    或C_ar H_ar S_ar O_ar N_ar=100  (4)
    通过煤的工业分析，计算理论空气量V⁰(Nm³/kg)，即
    V⁰=0.0889(C_ar 0.375S_ar) 0.265H_ar-0.0333O_ar  (5)
    RO₂容积(Nm³/kg):
    
    理论氮气容积(Nm³/kg):
    
    理论水蒸气容积(Nm³/kg):
    V⁰_H2O=0.111H_ar=0.0124W_ar 0.0161V⁰  (8)
    排烟处水蒸气容积(Nm³/kg):V_H2O=V⁰_H2O 0.0161(α_py-1)V⁰  (9)
    排烟处干烟容积(Nm³/kg):
    V_gy=V_RO2=V⁰_N2 (α_py-1)V⁰  (10)
    式中:α_PY??排烟处过剩空气系数；C_ar??收到基碳，%；H_ar??收到基氢，%；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，%。
    计算排烟处烟气的容积V_PY(Nm³/kg)，即
    V_PY=V_gy V_H2O  (11)
    根据烟气分析的测试数据，利用样品已实测的排烟处CO₂的容积百分比数据计算得到排烟处烟气容积等数据:
    计算在标准状态下每公斤燃料所产生的CO₂体积(Nm³/kg)，即
    V_CO2=V_PY?〔CO₂〕?(100-q₄)/100  (12)
    式中:〔CO₂〕??排烟处CO₂的体积分数；q₄??固体未完全燃烧的热损失，%。
    由于q₄一般小于10%(多数小于5%)，故在运算中，如果q₄的数据来源不可靠，可选取一个推荐值，其对计算结果带来的误差是可以接受的。
    计算每公斤燃料产生的烟气中CO₂的重量，以碳计(kg-C)，得
    C₂=V_CO2?44/22.4?12/44  (13)
    计算碳氧化率(%):
    R=C₂/C₀  (14)
    2.碳氧化率计算方法二
    采用正平衡方法计算碳氧化率，首先必须区分烟气中的气态碳(CO₂/CO/C_nH_m)，哪些为燃料燃烧产生的气态碳，以及哪些为入炉空气(一次风、二次风、三次风、漏风)携带的气态碳，这个辨别过程相对复杂且难以保证准确度。而采用反平衡方法计算工业锅炉的碳氧化率，只需考虑单位时间入炉燃料中未参与化学反应的碳量，不考虑非二氧化碳含碳气体的特殊性，计算公式如下:
    R=(1-C_e/C₀)?100%  (15)
    式中:R??工业锅炉燃烧过程中碳的氧化率(包括CO₂和CO等含碳化合物)用百分数表示；C_e??单位时间入炉燃料中未参与化学反应的碳量；C₀??单位时间入炉燃料中的碳量。
    式(15)中的未参加化学反应的固态碳排放量C_e，对工业锅炉来说，按碳平衡模式分析主要由灰渣损失、飞灰损失和漏煤损失三部分组成。如果知道了这三部分损失的含碳量，就可以计算在不单独考虑非二氧化碳含碳气体碳排放条件下的氧化率R，而灰渣、飞灰和漏煤中携带的碳量可由热平衡测试结果中直接得到或计算获得，因此式(15)演化为式(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??锅炉稳定运行时单位时间的灰渣产量，kg/h；C_hz??灰渣中的含碳量百分比，%:G_fh??锅炉稳定运行时单位时间的飞灰产量，kg/h；C_fh??飞灰中的含碳量百分比，%；G_1m??锅炉稳定运行时单位时间的漏煤量，kg/h；C_1m??漏煤中的含碳量百分比，%；G_ar??单位时间入炉燃料量，kg/h；C_ar??锅炉燃料的应用基含碳量，%。
    3.碳氧化率计算方法三
    碳氧化率计算方法三为基于能量守恒的碳氧化率计算方法，以锅炉能量消耗总量计算理论煤的消耗量，在不考虑非二氧化碳含碳气体的特殊性时得到参加燃烧反应碳的量，通过进入炉膛煤的总量来计算碳氧化率:
    Q_out=Q_h Q_w Q_g Q_s  (17)
    式中:Q_out??煤燃烧过程放出的全部热量，kJ/h；Q_h??工业炉实际利用热量，kJ/h；Q_s??炉渣排放损失的物理显热，kJ/h；Q_g??烟气排放的损失热量，kJ/h；Q_w??工业炉炉壁散失热量，kJ/h。
    通过锅炉实际运行过程的出力可知Q_h，通过烟气温度及组分的测量可知Q_g，通过排渣的温度可知Q_s，通过炉壁面积、温度及环境温度可知Q_w。
    通过Q_out反推可以知道理论耗煤比:
    
    式中:Q₁??入炉燃料所带进的实际热量，kJ/h。
    通过理论耗煤比可知理论上参加燃烧反应的碳的量:
    m_c=m?g_c  (19)
    由此可以计算该锅炉的碳氧化率:
    
    式中:G_ar??单位时间入炉燃料量，kg/h；C_ar??锅炉燃料的应用基含碳量，%。
    方法三认为燃料中的可燃成分有m部分被氧化发热了，然后用燃料中的总含碳量乘以m即得出参加反应的碳量。由于燃料中的各种可燃成分燃烧程度不同步，故方法三主要应用于固体燃料以计算碳氧化率。
    图1是在我国不同地区选取的不同容量的燃煤工业锅炉的典型碳氧化率曲线。
    

图1  不同地区各容量工业锅炉平均碳氧化率测算