工業(yè)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(jù)工業(yè)鍋爐的能源計(jì)量數(shù)據(jù)估計(jì)出溫室氣體排放量的數(shù)學(xué)物理模型。
    

一、工業(yè)鍋爐的碳平衡

    根據(jù)物質(zhì)平衡原理，在工業(yè)鍋爐穩(wěn)定工況下，進(jìn)入鍋爐的碳元素質(zhì)量與鍋爐輸出的碳元素質(zhì)量保持動(dòng)態(tài)平衡。而進(jìn)入鍋爐的碳為入爐燃料中的碳量(應(yīng)用基含碳量?單位時(shí)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(xué)反應(yīng)的角度看，助燃空氣中的碳在進(jìn)出鍋爐系統(tǒng)前后沒有發(fā)生化學(xué)變化(均為CO₂)，而燃料中的碳在進(jìn)出鍋爐燃燒系統(tǒng)后其中小部分碳未參與燃燒(仍以碳分子的形態(tài)輸出)，大部分碳被完全燃燒(變成CO₂)或不完全燃燒(轉(zhuǎn)為CO、C_nH_m)。因此，工業(yè)鍋爐碳平衡方程式可以進(jìn)一步簡化為:進(jìn)入鍋爐的燃料含碳量等于不參與化學(xué)反應(yīng)的固態(tài)碳(漏煤含碳、灰渣含碳、飛灰含碳)與參與化學(xué)反應(yīng)后以CO₂/CO/C_nH_m形式進(jìn)入煙氣中的氣態(tài)碳兩者之和?！禝PCC國家溫室氣體排放清單編制指南(2007)》認(rèn)為，由于CO在大氣中是不穩(wěn)定的氣體，它們在紫外線的作用下最終將在大氣中氧化轉(zhuǎn)變?yōu)镃O₂，這個(gè)轉(zhuǎn)變時(shí)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(fā)，工業(yè)鍋爐燃料消耗的碳完全反應(yīng)排放和不完全反應(yīng)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(zhǔn)確性的前提下更加簡單直接。
    

二、工業(yè)鍋爐的碳氧化率計(jì)算方法

    鍋爐的熱效率計(jì)算有正反平衡法兩種，工業(yè)鍋爐的碳氧化率也可以根據(jù)碳平衡方程式有正反平衡兩種計(jì)算方法。通過上述對工業(yè)鍋爐碳平衡模式的研究，可將工業(yè)鍋爐碳平衡概念從能源環(huán)境角度概括為:供給工業(yè)鍋爐的碳量最終以參與化學(xué)反應(yīng)的碳和不參與化學(xué)反應(yīng)的碳兩種形式排放入環(huán)境。前者的形態(tài)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(gòu)成固體廢棄物排放源的一部分。以溫室氣體的研究為目標(biāo)來說，碳平衡模式表明可通過兩個(gè)途徑來計(jì)算以供給碳量為基準(zhǔn)的工業(yè)鍋爐燃燒過程中的碳的氧化率，即從煙氣側(cè)和從固體不完全燃燒側(cè)。
    1.碳氧化率計(jì)算方法一
    采用正平衡方法計(jì)算碳氧化率，即從煙氣側(cè)參與化學(xué)反應(yīng)的碳平衡角度來計(jì)算碳的氧化率的方法，可用如下公式進(jìn)行計(jì)算:
    若不考慮非二氧化碳含碳?xì)怏w的特殊性，可用式(1)進(jìn)行計(jì)算:
    R=(C₂ C₃)/C₀=C₁/C₀  (1)
    若單獨(dú)考慮非二氧化碳含碳?xì)怏w，可用式(2)進(jìn)行計(jì)算:
    R′=C₂/C₀  (2)
    利用式(1)來計(jì)算碳氧化率有以下兩種情況:
    一是根據(jù)熱平衡的測試數(shù)據(jù)，利用實(shí)測得到的排煙處RO₂、CO和O₂的容積百分比，再根據(jù)各種燃料特性數(shù)據(jù)計(jì)算R，其計(jì)算過程如下:
    認(rèn)為燃料由C、H、O、S、N元素組成，設(shè)燃料中各種元素的質(zhì)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(yè)分析，計(jì)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?dú)馊莘e(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?shù)；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(jì)算排煙處煙氣的容積V_PY(Nm³/kg)，即
    V_PY=V_gy V_H2O  (11)
    根據(jù)煙氣分析的測試數(shù)據(jù)，利用樣品已實(shí)測的排煙處CO₂的容積百分比數(shù)據(jù)計(jì)算得到排煙處煙氣容積等數(shù)據(jù):
    計(jì)算在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每公斤燃料所產(chǎn)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?jǐn)?shù)；q₄??固體未完全燃燒的熱損失，%。
    由于q₄一般小于10%(多數(shù)小于5%)，故在運(yùn)算中，如果q₄的數(shù)據(jù)來源不可靠，可選取一個(gè)推薦值，其對計(jì)算結(jié)果帶來的誤差是可以接受的。
    計(jì)算每公斤燃料產(chǎn)生的煙氣中CO₂的重量，以碳計(jì)(kg-C)，得
    C₂=V_CO2?44/22.4?12/44  (13)
    計(jì)算碳氧化率(%):
    R=C₂/C₀  (14)
    2.碳氧化率計(jì)算方法二
    采用正平衡方法計(jì)算碳氧化率，首先必須區(qū)分煙氣中的氣態(tài)碳(CO₂/CO/C_nH_m)，哪些為燃料燃燒產(chǎn)生的氣態(tài)碳，以及哪些為入爐空氣(一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)、漏風(fēng))攜帶的氣態(tài)碳，這個(gè)辨別過程相對復(fù)雜且難以保證準(zhǔn)確度。而采用反平衡方法計(jì)算工業(yè)鍋爐的碳氧化率，只需考慮單位時(shí)間入爐燃料中未參與化學(xué)反應(yīng)的碳量，不考慮非二氧化碳含碳?xì)怏w的特殊性，計(jì)算公式如下:
    R=(1-C_e/C₀)?100%  (15)
    式中:R??工業(yè)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?jǐn)?shù)表示；C_e??單位時(shí)間入爐燃料中未參與化學(xué)反應(yīng)的碳量；C₀??單位時(shí)間入爐燃料中的碳量。
    式(15)中的未參加化學(xué)反應(yīng)的固態(tài)碳排放量C_e，對工業(yè)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(jì)算在不單獨(dú)考慮非二氧化碳含碳?xì)怏w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(jié)果中直接得到或計(jì)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(wěn)定運(yùn)行時(shí)單位時(shí)間的灰渣產(chǎn)量，kg/h；C_hz??灰渣中的含碳量百分比，%:G_fh??鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)單位時(shí)間的飛灰產(chǎn)量，kg/h；C_fh??飛灰中的含碳量百分比，%；G_1m??鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)單位時(shí)間的漏煤量，kg/h；C_1m??漏煤中的含碳量百分比，%；G_ar??單位時(shí)間入爐燃料量，kg/h；C_ar??鍋爐燃料的應(yīng)用基含碳量，%。
    3.碳氧化率計(jì)算方法三
    碳氧化率計(jì)算方法三為基于能量守恒的碳氧化率計(jì)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?xì)怏w的特殊性時(shí)得到參加燃燒反應(yīng)碳的量，通過進(jìn)入爐膛煤的總量來計(jì)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(yè)爐實(shí)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(yè)爐爐壁散失熱量，kJ/h。
    通過鍋爐實(shí)際運(yùn)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(huán)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(jìn)的實(shí)際熱量，kJ/h。
    通過理論耗煤比可知理論上參加燃燒反應(yīng)的碳的量:
    m_c=m?g_c  (19)
    由此可以計(jì)算該鍋爐的碳氧化率:
    
    式中:G_ar??單位時(shí)間入爐燃料量，kg/h；C_ar??鍋爐燃料的應(yīng)用基含碳量，%。
    方法三認(rèn)為燃料中的可燃成分有m部分被氧化發(fā)熱了，然后用燃料中的總含碳量乘以m即得出參加反應(yīng)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(yīng)用于固體燃料以計(jì)算碳氧化率。
    圖1是在我國不同地區(qū)選取的不同容量的燃煤工業(yè)鍋爐的典型碳氧化率曲線。
    

圖1  不同地區(qū)各容量工業(yè)鍋爐平均碳氧化率測算