2.污染物分析
由于实际使用的天然气成分并不纯净，所以实际天然气中都含有微量的H2S，其燃烧产生SO2。燃烧的充分程度小于100%，会产生CO。燃烧过程也不可避免的会产生大气污染物NOX。如今对各种大气污染物的检测和排放标准也是多种多样，常见的有质量浓度(c→mg/m³)、体积比例(f→ppm；h→%)和能耗浓度(e→mg/kW·h)。各种不同的表示方式有着不同的实际意义。质量浓度应用普遍易于理解；由于气体的特性，体积比例方便计算和说明问题，也比较直观；能耗浓度是从燃料热值角度出发，将产生的热能与污染物质量联系到一起，有助于总体评估，且其不受α的影响，也可以不同燃料间作比较。由于c、f、h都与烟气体积有关，应当对不同燃烧工况做区分，本文以常温常压下α作为区分点。再者GB 25034-2010对CO的限定是在理论工况(α＝1)下，而GB 13271-2014是在烟气基准氧含量3.5%对污染物的限定，需要不同工况换算。
下文将分燃烧中的碳、SO2、NOX三个方面根据已有资料做力所能及的分析，多有考虑不周详之处，权且贻笑大方，还望赐教。
2.1.燃烧中的碳
在空气不充足或混合不均匀的情况下，燃烧天然气等含碳的燃料会产生积碳和CO，对
燃烧器、换热器、人体健康都会产生危害。碳黑颗粒有堵塞燃烧器出气口或堵塞换热器间隙的隐患，而且积累一定量的碳颗粒后会影响燃烧，使烟气中的CO2比例徒增，进而使烟气监测的价值大打折扣，甚至会增加烟气中的CO含量，污染环境。
2.1.1.CO
CO的检测多以体积比例衡量，单位为ppm(μL/L)或百分比。根据GB25034-2010-6.6.2，极限热输入(107%的额定热输入)的 COα＝1浓度应小于0.10%(1000ppm)；根据GB 25034-2010-6.6.3，各极端情况下的COα＝1浓度应小于0.20%(2000ppm)且无积碳。其中α＝1的限定条件就是上文的理论工况。由于污染物CO在GB 13271-2014中未规定，根据GB 25034-2010需要换算到理论工况与限定值比较。
首先，空气过量系数α在工程应用中可以看作只与烟气中的O2含量有关的参数，按照α＝21/(21-h(O2))计算，其中21为氧气在空气中的体积比例，h(O2)为烟气中氧的体积比。其次根据GB 13271-2014-5.2大气污染物基准含氧量排放浓度换算方法，可得：
f(COα＝1) ＝ f(CO)·α
其中f(CO)和α为实测值。
为了更直观的比较分析，用该换算方法将α＝1.2工况极限热输入的CO浓度上限为
f(COα＝1.2)max ＝ f(COα＝1)max/α
≈ 833 ppm (0.0833%)
2.1.2.CO2
CO2在烟气中的体积比例能够综合反应过量空气的多少、燃烧是否完全、工况是否恶化、是否有异物影响燃烧等情况。在α一定的情况下，h(CO2)的高低及其波动情况说明了工况是否稳定。经过一段时间使用的燃烧室可能存有一定积碳，
风机将积碳吹近火焰燃烧，会使h(CO2)增高。由于积碳可看作C原子，燃烧时并没有H原子反应，所以理论上单独燃烧C原子烟气中h(CO2)可达21%。
根据烟气监测仪说明书，h(CO2)是间接测得量，与测试开始时选定的燃料种类有关。计算关系为h(CO2)＝h(CO2)max [1－h(O2)/21]，其中h(O2)为实测O2体积分数，h(CO2)max是与燃料种类有关的理论工况排放浓度。
在实际测试中，出现过h(CO2)高达15%的情况，特别是当燃烧室内固体杂质较多的首次燃烧时。所以，相对稳定且符合理论范围的h(CO2)值，才可作为燃烧充分程度的判定依据。
2.2.SO2
2.2.1.实验用天然气H2S分析
烟气中SO2的来源是燃气中的S元素，要分析烟气中的SO2就要从实际天然气成分说起。
测试用天然气从中石油大连液化天然气有限公司购得。其天然气销售气质分析报告(附录3)中写明“硫化氢(ppm)3.131”，即1m³天然气中有3.131mL的H2S气体。其主要成分CH4占93.47%，故烟气体积及低热值按照12T基准气估算。
假设燃气与燃烧后烟气均处于标准状况下，气体摩尔体积为22.4L/mol，α＝1.2。则1m³燃气中H2S物质的量为：
n(H2S) ＝ 3.131×10-3/22.4
≈ 1.40×10-4 mol
反应方程式 2 H2S ＋ 3 O2 → 2 SO2 ＋ 2 H2O
物质的量/×10-4mol 1.40 2.10 1.40 1.40
即烟气中SO2物质的量为
n(SO2)＝1.40×10-4 mol
烟气中SO2的质量为
m(SO2) ＝ n(SO2)×64
＝1.40×10-4×64
＝ 8.96 mg
根据上文推导，干烟气总物质的量为
n(干烟气) ＝ 1×103/22.4/100×1042
≈ 465.18 mol
干烟气体积为
V(干烟气) ＝ n(干烟气)×22.4×10-3
＝10.42 m³
烟气中SO2质量浓度为
c(SO2α＝1.2) ＝ m(SO2)/ V(干烟气)
＝ 8.96/10.42
≈ 0.86 mg/m³
从计算结果可以看出，烟气中SO2含量微小。GB 13271-2014-4.3规定，新建燃气锅炉在烟气基准含氧量3.5%的工况下排放标准为50mg/m³。0.86mg/m³的排放与之相比较很小。
2.2.2.GB17820-2012对天然气总硫的限定
上表是GB 17820-2012天然气的分类表。根据GB/T 13611-2006，12T天然气基准气的高热值为37.78MJ/m³，属于一类，总硫(以硫计)≦60mg/m³。
则1m³燃气中硫物质的量上限为(20℃)
n(S20℃) ＝ 60×10-3/32
＝ 1.875×10-3 mol
由于GB/T 13611-2006和GB 17820-2012对试验气温度的限定不同，前者15℃，后者20℃，根据气体状态方程，在常压下1m³燃气，n与T成反比，则
n(S15℃) ＝ (273+20)×n(S20℃)/(273+15)
≈ 1.91×10-3 mol
完全燃烧后生成SO2的物质的量是前文的(1.91×10-3/1.40×10-4≈13.64)13.64倍。在相同条件下，污染物浓度也是前文的13.64倍。即12T天然气SO2排放最大值为
c(SO2α＝1.2) ＝ 13.64×0.86
≈11.73 mg/m³
11.73mg/m³的排放与50mg/m³的限定值相比，依旧合格。
2.3.NOX
2.3.1.NOX的生成
NOX在燃烧中的生成机理复杂，生成量与燃烧方式和α密切相关。其生成途径分为3种：1.燃料型；2.快速型；3.热力型。天然气主要成分为甲烷，其余成分也多为烃类气体，所以不会产生燃料型的NOX。快速型NOX在氧气浓度较低的富燃料工况下产生，热力型NOX在高温下空气中的N2与O2反应生成。快速型和热力型为天然气燃烧产生NOX的主要途径。
运用燃烧前控制α且充分预混的燃烧方式，可有效控制燃烧中快速型和热力型NOX的产生。通过燃气比例阀和文丘里的配合来控制α，使α保持在1.20-1.27之间燃烧，可大幅度减少快速型NOX的产生；由于充分预混的燃烧方式，加大CH4分子与O2分子的接触面积，增加反应有效碰撞次数，加快反应速度，反应更充分，而且C-H键的断裂也更易于N≡N键(C-H键能4.14×105J/mol；N≡N键能9.45×108J/mol)，又通过控制α从根本上控制了多余的O2，所以有效的减少了热力型NOX的产生。 2.3.2. NOX的浓度换算从上文的比较中可以看出，NOX的浓度表示方法不尽相同。为了进行比较，在各种工况和表示方法间的换算就显得尤为重要。根据GB 25034-2010附录E，NOX以NO2计，12T天然气基准气NOX排放量的单位换算(α＝1)，1ppm＝2.054mg/m³,1ppm＝1.7554mg/kW·h为换算基准，换算后的结果如下：
3.总结本文以理论燃烧工况为出发点，推导了α＝1和α＝1.2的烟气成分，并对CO、SO2、NOX三种污染物从理论和实际两个方面做了小范围探讨。对于各种浓度单位做出自己的理解与换算。鉴于本人从业经验有限，文中讨论方法必然存在诸多错误，还请指正。如有建议或讨论请发送邮件至
daniel7001@163.com，期待各位前辈的批评指导。 参考资料：[1] 中华人民共和国国家标准.GB 25034-2010 燃气采暖热水炉；[2] 中华人民共和国国家标准.GB/T 13611-2006 城镇燃气分类和基本特性；[3] 中华人民共和国国家标准.GB 13271-2014 锅炉大气污染物排放标准；[4] 中华人民共和国国家标准.GB 17820-2012 天然气；[5] 北京市地方标准.DB11/139-2015 北京锅炉大气污染物排放标准；[6] 吴碧君.燃烧过程中氮氧化物的生成机理[J].电力环境保护，2003,19(4)，9-12；[7] 邵信宏.
壁挂炉发展技术分析[J].壁挂炉月刊，2014,8,55-56。
附录 1
露点温度与主要湿度换算表（节选）
附录 2
附录 3
中石油大连液化天然气有限公司-天然气销售气质报告
发表于 2020-8-22 10:38:04
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