燃烧12T天然气的烟气成分与污染物的讨论（一）-----渤尔科技

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燃烧12T天然气的烟气成分与污染物的讨论

大连渤尔科技有限公司  刘培明

摘要：本文从GB/T 13611-2018出发，理论推导燃烧12T天然气所产生的烟气成分。结合检测经验，分析CO、SO2、Nox三种污染物的产生原因并换算单位及比较。

关键字：12T天然气 烟气成分  CO SO2  NOX

在GB/T 13611-2018中，根据燃气主要成分及华白数将燃气分类。每类燃气又分为基准气及三种界限气：黄焰和不完全燃烧界限气、回火界限气、脱火界限气。实际使用的燃气在基准气和各种界限气之间，分析基准气与各种界限气完全燃烧的烟气成分有助于分析实际燃烧排放，对烟气的检测有指导作用。

根据GB 13271-2014，将污染物排放浓度折算到干烟气基准氧含量3.5%时的工况下分析（α＝1.2）。由于各种污染物浓度都很小，对烟气总体积影响不大，故计算烟气总物质的量时忽略污染物。假如某种污染物的占比达到不可忽略的程度，这已远超有毒有害的界限。

1.天然气理论成分推导

城市用天然气以12T为主，本文推导12T天然气烟气主要成分。

以气种3：脱火界限气为例，举例说明本文算法。

根据GB/T 13611-2018，12T天然气的脱火界限气体积组成：CH4 92.5%，N27.5%。根据气体状态方程，在一定压力和温度下，体积和物质的量成正比关系；又由于气体体积受温度影响较大，烟气温度较常温高，而气体各组份物质的量不受体积变化影响，故将气体体积转换为物质的量进行计算更为简便。干空气体积组成按照O2 21%，N2及其他不反应的气体79%计算。

1.1.α＝1的理论工况推导

假设有100mol的12T气种3的天然气完全燃烧，其中CH4有92.5mol，N2有7.5mol。

反应方程式     CH4    ＋    2 O2   →   CO2    ＋    2 H2O

物质的量/mol  92.5          185      92.5           185

干空气中的N2及其他不反应的气体物质的量为

n(干空气的N2及其他) ＝ n(O2)×79/21

＝ 185×79/21

                          ≈ 696.0 mol

总干空气物质的量为

n(干空气) ＝ n(干空气的N2及其他)＋n(O2)

         ＝ 696＋185

         ＝ 881 mol

12T-3的天然气的理论空燃比为

A/F(12T-3)α＝1 ＝ n(干空气)/n(燃气)

＝ 881/100

＝ 8.81

加上燃气中的N2，不反应气体的总物质的量为

n(N2及其他) ＝ n(干空气的N2及其他)＋n(燃气中的N2)

＝ 696.0＋7.5

＝ 703.5 mol

干烟气总物质的量为

n(干烟气) ＝ n(CO2)＋n(N2及其他)

＝ 92.5＋703.5

                           ＝ 796 mol

干烟气中CO2的体积分数为

n(CO2)/n(干烟气)×100% ＝ 92.5/796×100%

≈ 11.62%

反应生成H2O的物质的量n(H2O)＝185mol，假设无冷凝水，则湿烟气中的水蒸气体积分数为

n(H2O)/[n(H2O)＋n(干烟气)]×100% ＝ 185/(185＋796)×100%

                                 ≈ 18.86%

考虑到实际燃烧不可能是干空气，所以烟气实际水蒸气体积分数要高于18.86%。根据露点温度与湿度的对应关系(附录1)，55℃时的水蒸气体积分数最高可达18.41%。所以当α＝1时，燃烧12T-3的天然气，将烟气温度降低到55℃以下就会有冷凝水产生。

若烟气温度超过55℃无冷凝水产生，则相对应的CO2的体积分数为

n(CO2)/[n(H2O)＋n(干烟气)]×100% ＝ 92.5/(185＋796)×100%

≈ 9.43%

故，在α＝1时，燃烧12T-3，将烟温降低到55℃以下会产生冷凝水，干烟气物质的量796mol，烟气中CO2的体积分数在9.43%～11.26%。

1.2.α＝1.2时的工况推导

由于真实工况空气过量才可以保证燃烧相对充分，所以α＝1.2时的工况分析更具有参考价值。根据以上分析，当α＝1.2时，完全燃烧100mol的12T-3，反应生成CO2物质的量为

n(CO2)＝ 92.5 mol

反应生成H2O物质的量为

n(H2O)＝ 185 mol

干空气总物质的量为

n(干空气) ＝ 881×1.2

＝ 1057.2 mol

12T-3的天然气α＝1.2的空然比为

A/F(12T-3)α＝1.2 ＝ n(干空气)/n(燃气)

＝ 1057.2/100

≈ 10.57

加上燃气中的N2，不参加反应气体的总物质的量为

n(不反应气体) ＝ n(干空气)－n(参加反应O2)＋n(燃气中的N2)

＝ 1057.2－185＋7.5

＝ 879.7 mol

干烟气总物质的量为

n(干烟气) ＝ n(CO2)＋n(不反应气体)

＝ 92.5＋879.7

＝ 972.2 mol

干烟气中的CO2体积分数为

n(CO2)/n(干烟气)×100% ＝ 92.5/972.2×100%

≈ 9.51%

假设无冷凝水，则湿烟气中的水蒸气体积分数为

n(H2O)/[n(H2O)＋n(干烟气)]×100% ＝ 185/(185＋972.2)×100%

≈ 15.98%

根据附录1，52℃时的水蒸气体积分数最高可达15.53%。所以当α＝1.2时，燃烧12T-3的天然气，将烟气温度降低到52℃以下就会有冷凝水产生。

若烟气温度超过52℃无冷凝水产生，则相对应的CO2的体积分数为

n(CO2)/[n(H2O)＋n(干烟气)]×100% ＝ 92.5/(185＋972.2)×100%

≈ 7.99%

故，当α＝1.2时，燃烧12T-3，干烟气物质的量972mol，CO2体积分数在7.99%～9.51%，将烟温降低到52℃以下会产生冷凝水。

1.3.12T天然气理论推导

    根据GB/T 13611-2006中12T天然气的比例成分，推导完全燃烧状态下烟气。详见附录2。

未完待续