烟气空气参数

烟气热物理性质(烟气成份：R CO2=0.13；R H2O=0.11 ；R N2=0.76)
附：湿空气干、湿球温度对照表
水的汽化热为40.8千焦/摩尔，相当于2260千焦/千克
天然气是一种无毒无色无味的气体，其主要成份是甲烷，天然气的低热值为34.91MJ/Nm3。

天然气(甲烷)的密度在0℃,101.352Kpa时为0.7174Kg/Nm3,相对密度(设空气的密度为1)为0.5548，天然气约比空气轻一半，完全燃烧时,需要大量的空气助燃。

1立方米天然气完全燃烧大约需要9.52立方米空气。

如果燃烧不完全,会产生有毒气体一氧化碳，因而在燃气器具使用场所,必须保持空气流通。

在封闭空间内,天然气与空气混合后易燃、易爆、当空气中的天然气浓度达到5-15％时，遇到明火就会爆炸，因而一定要防止泄漏。

天然气的密度定义为单位体积气体的质量。

在标准状况（101325Pa，15.55℃）下，天然气中主要烃类成分的密度为0.6773Kg/m3（甲烷）-3.0454Kg/m3（戊烷）。

天然气混合物的密度一般为0.7-0.75Kg/m3，其中石油伴生气特别是油溶气的密度最高可达1.5Kg/m3甚至更大些。

天然气的密度随重烃含量尤其是高碳数的重烃气含量增加而增大，亦随CO2和H2S的含量增加而增大。

天然气的相对密度是指在相同温度、压力条件下天然气密度与空气密度的比值，或者说在相同温度、压力下同体积天然气与空气质量之比。

天然气烃类主要成分的相对密度为0.5539（甲烷）-2.4911（戊烷），天然气混合物一般在0.56-1.0之间，亦随重烃及CO2和H2S的含量增加而增大。

在标准状况下，天然气的比重与密度、相对比重与相对密度在数值上完全相同。

天然气中常见组分的密度和相对密度值如表所示。

天然气在地下的密度随温度的增加而减小，随压力的增加而加大。

但鉴于天然气的压缩性极强，在气藏中，天然气的体积可缩小到地表体积的1/200-1/300，压力效应远大于温度效应，因此地下天然气的密度远大于地表温压下的密度，一般可达150-250Kg/m3；凝析气的密度最大可达225-450Kg/m3。

天然气在地下的密度随温度的增加而减小，随压力的增加而加大。

但鉴于天然气的压缩性极强，在气藏中，天然气的体积可缩小到地表体积的1/200-1/300，压力效应远大于温度效应，因此地下天然气的密度远大于地表温压下的密度，一般可达150-250Kg/m3；凝析气的密度最大可达225-450Kg/m3。

>>1 FD-10增效天然气
相对于激光、等离子等先进焊割技术的使用,氧—燃气火焰工艺以其投资少、易用性好等特点依然是国内外企业工业焊割特别是低碳钢焊割的主要选择。

其中,氧—乙炔又是氧—燃气
火焰工艺中最为成熟、广泛采用的方法。

在切割与焊接技术中可用的气体除乙炔外还有天然气、液化石油气、氢气和煤气等。

从安全、环境保护、应用效果、能耗与成本等方面的考虑，天然气与液化石油气比乙炔、氢气、煤气等工业用气有着较为明显的优势。

例如，乙炔的原料为电石，是一种高耗能产品,生产乙炔要排出电石渣及CO、H2S、SO2 等有害气体及污水,在使用中还存在安全性差、成本高等不足。

我国在上世纪七十年代开始，开发利用以甲烷为主要成分的天然气和以丙烷为主要成分的液化石油气等进行切割与焊接，并在一定范围内得到了初步应用。

丙烷气的密度大于空气,不宜在船舱等半密闭场所使用。

天然气在其清洁、经济、环保、安全等方面都有一定优势,近些年来国内天然气探明储量不断攀升，有了气源保障，在能源中的比例在大大提高，从而成为替代乙炔等的最佳选择。

FD-10增效天然气是通过大量的基础研究，在对天然气增效处理基础上研制的增温添加剂，该添加剂的应用能解决长期以来使用乙炔作为工业燃气所带来的环保、安全等问题，能彻底根治电石渣、硫化物和磷化物污染源，具有多项乙炔无法比拟的优点：环保、节能、安全、经济、高效、优质等。

FD-10天然气催化增温添加剂的使用,将增效后的天然气成为全功能取代乙炔的“优选产品”，具有巨大的经济价值和社会效益。

>>1.1 技术分析
1.1.1 基础燃气及其燃烧性能对比
可用作气焊割工业用气的燃气比较多，为了有针对性地说明问题，在这里只给出甲烷、乙炔、丙烷的相关性能参数见表1。

从爆炸极限范围、燃烧速度、密度等角度，天然气（甲烷）与丙烷、乙炔相比较，以不易堆积、不易回火、不易爆炸等优点呈现出较好的安全性。

同时，其质量热值最高，具备高火焰温度的潜力。

氧气中的燃速（m/s）7.5 3.3 2
空气中的爆炸极限范围（％） 2.5-80 5.3-14.5 2.1-9.5
实测的氧火焰温度( ℃) 3 100～3 350 1 850～2 540 2 832
着火温度点℃305 645 510
然而，一般来说普通天然气（甲烷）火焰不集中，燃烧的实测氧火焰温度较低（见表1），对金属预热时间长，速度慢，焊接或切割效率较低，其在焊割领域的应用受到极大的限制，为此需作进一步的分析。

根据表1中的参数值可以看出，在消耗相同体积的三类燃气（压强相等）其消耗的氧气是不同的，发出来的热也不相等。

从三类燃气的体积热值角度来看，丙烷的体积热值最高；而从质量（重量）热值角度来看，甲烷的重量热值最高。

火焰温度的实际值并不是仅仅由热值决定的，影响火焰温度的因素很多。

其中三类燃气的燃烧速度和着火温度点明显的差别就将直接影响燃烧速度和燃烧效率，也就直接影响燃烧火焰的温度。

三类燃气燃烧的化学反应分别为：
乙炔燃烧的化学反应方程：
丙烷燃烧的化学反应方程：
甲烷燃烧的化学反应方程：
三类燃气在消耗相同的重量(以1kg为例)时，消耗的氧气重量，燃烧产物中二氧化碳、水的重量都不相同参见表2
表2 三类燃气及其反应产物对比
乙炔甲烷(天然气) 丙烷（石油气）
分子量26 16 44
燃气消耗（kg） 1 1 1
氧消耗（kg） 3.077 4 3.64
生成二氧化碳重量（kg） 3.384 2.75 3
生成水的重量（kg）0.694 2.25 1.64
燃烧产物总重量 4.077 5.0 4.64
理论上说，重量热值所能将总的燃烧产物加热的温度就是火焰温度，虽然重量热值不同，但每公斤燃气燃烧产物的重量也不相同，从上述两表可以看出，乙炔、甲烷、丙烷的净热值分别为43.3、51.6和46.1（MJ/kg）而每公斤燃气燃烧产物总质量分别为4.077、5.0、4.64（kg）。

三类燃气燃烧产物的平均比热都远远低于2000J/kg.℃,它们的理论绝热火焰温度都在4000℃以上，差别并不很大。

然而其实际火焰温度却有较大差别
参见表1
甲烷和丙烷的实际火焰温度较低，很大程度反映了其各自燃烧的有效化学释热能力。

影响火焰温度的因素比较多，包括燃烧产物与环境的热交换、燃烧效率等。

燃烧产物与环境的热交换主要是通过对流换热和辐射换热进行的，有效减少这种热交换的主要方法，第一尽可能降低火焰的辐射强度；第二使火焰范围变小，通过减小火焰与环境空气的接触面积来降低对流换热量。

影响燃气燃烧效率的因素包括燃气的掺混性能、活化能、点火温度、氧－燃气混合比等等。

通过改善天然气的氧火焰温度，实现天然气在气焊和气割领域的高效应用，就必须对天然气有关性能通过物理和化学方法进行改善增效。

1.1.2 FD-10增效天然气主要技术原理
使用增效后的天然气是以降低能耗、降低污染、降低使用单位生产成本、提高生产效率等为主要目的。

通过研发先进添加剂包为核心，改善天然气燃烧速度与燃烧效率、提高其总有效能量为主要技术途径，提高火焰温度，改善燃烧产物的成分，从而达到预期的目的。

针对不同燃气成分的物理化学特点，从燃气各自的燃烧学、燃烧产物的传热学等基本规律入手，通过对流动、火焰传播、燃氧混合等特性的研究确定其合理的匹配关系；通过对燃气燃烧活化能、催化机理与催化剂、助燃机理与助燃剂等的研究确定添加剂包的基本组成与配比。

在上述研究基础上，对供气系统的整体工艺流程过程进行研究，确定高能燃气工业应用的技术途径，确保使用过程的高安全性。

FD-10天然气催化增温添加剂通过高技术系统集成技术增效天然气，添加剂包的作用主要有五方面，首先通过添加高能物质适度提高燃气的总热值；其次通过适当添加均相催化剂降低燃气活化能，改善化学反应速度，实现有效的催化燃烧；第三通过适当添加助燃剂，在天然气的燃烧过程产生足够的自由基促进燃料与氧气间的相互作用，提高化学反应率；第四通过适当添加阻聚剂提高燃气的扩散掺混性能，改善天然气与氧的混合速度和混合率；第五通过适度添加辐射改进剂，改变燃烧时火焰频率及波长、激活燃气, 抑制火焰的热辐射。

使燃气在燃烧过程能放出更多的能量,延长燃烧时间,达到火焰集中、温度高、穿透力强,热能易被工
件强化吸收，节省燃气的效果。

可对碳钢实施切割，焊接，矫形等，并集高效、环保、节能和安全于一体，解决了天然气不能用于碳钢焊接等世界性技术难题。

1.1.3 FD-10增效后的天然气应用对比实验与分析
多年来以20mm厚A3钢板实验工件为实验对象，对FD-10增效天然气多批次工业燃气进行了应用对比实验，获得了表3和表4所示的实验结果。

表3 三类燃气实验对比结果
表4 四类燃气实验对比
切割效率
切割速度及效率的大小关键取决于切割火焰的温度和切割氧达到割缝时的纯度及动量。

FD-10增效天然气采用凹凸型割嘴，在切割过程中具有较高的火焰温度，以及较高的切割氧纯度和动量保持能力，因而提高了其切割速度。

结合合理的工艺措施，其切割效率能明显超过乙炔切割效率。

在相同工件实验中，从单位切割长度的燃气消耗率、氧气消耗率、以及切割时间三方面对切割效率进行分析，进而获得对比效果。

气割切口质量
气割过程是预热火焰将切割钢材表面预热到燃点，然后通以高压氧气流，使达到燃点的金属在氧气流中激烈地燃烧，并借以高压气流的吹力，把燃烧生成的产物吹掉，形成割缝，因而气割的实质是金属在氧气中燃烧，而不是金属的熔化。

用乙炔切割时，由于其燃烧速度快很难避免切口上金属的过烧而产生的金属氧化物熔渣挂渣现象，造成这种现象的原因是在切割过程中，切口金属表面层会出现增碳现象，与切口金属过烧所形成的金属氧化物或金属化合物的共同作用，在切口表面温度冷却速度极快的情况下生成了大量组织为马氏体的硬质熔渣，通常用碳弧气刨和打磨等方法才得以清除，加大了工作量和成本。

FD-10增效天然气在纯氧中的燃烧速度相对较慢,虽然火焰温度较高，但通过对切割工艺的摸索能够防止割（焊）嘴的过热烧损，避免切口或焊缝金属的高温过烧现象，并降低焊割过程的热影响区，能够避免切断面上缘的烧塌现象,更能避免对割焊工件材质性能的影响，提高切口质量，使之具有良好的几何形状；FD-10增效天然气燃烧后, 与乙炔等相比产生大量的高温水蒸汽（参见表2）, 故使切断面上的氧化皮易于清除, 表面光洁度比常规切割要好很多,一般可达▽4以上。

近日公司又分别在武船重工、威海船厂、烟台京鲁船厂等单位进行了FD-10增效天燃气与液化石油气的应用对比试验，试验包括：带坡口切割；厚钢板矫正；厚钢板切割；钢板加热温度测试等项目。

通过切割对比试验可以看出，在切割工作量相等的条件下，液化石油气的燃气消耗量和氧气消耗量分别是FD-10增效天然气的2.675倍和1.78倍，FD-10增效天然气可以节省约20％工时。

同时，FD-10增效天燃气切割面更加光滑、不挂渣。

在烤板对比试验中，在相同工件、相同时间内，液化石油气的单位变形耗气率、耗氧率是FD-10增效天然的2.392倍、2.15倍。

1.1.3增效天然气供气方式示意图
FD-10增效天然气的基础气源天然气,天然气的供应形式主要有管道天然气、压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）三种（见下图所示）。

FD-10增效天然气生成示意图
1.2 安全性分析
天然气主要成分为甲烷，是可燃气体，必须按可燃气体的相关安全措施进行操作,但与乙炔或丙烷气体相比，有着显著的安全性。

乙炔的化学性质活泼，自燃点和在空气中的着火温度均很低。

且纯乙炔能够自身分解爆炸。

其分解爆炸性能取决于乙炔的压力和温度，压力越大，爆炸温度越低，同时与乙炔中的杂质、容器的尺寸有关，因此在运输过程中不得剧烈振动或撞击，且不能过高的压力。

乙炔与空气的混合爆炸极限范围极宽，露天作业时要防止日晒，以免发生乙炔爆炸的危险。

甲烷的化学性质不如乙炔活泼，对压力、温度、冲击等的敏感性比乙炔低得多，天然气与空气混合时具有爆炸危险的混合比值体积分数范围较乙炔小得多，与氧气混合的爆炸体积分数极限范围也比乙炔小。

乙炔在使用时，当乙炔—氧气混合气体的喷射速度和混合气体的燃烧速度之间比例操作不当，即当喷射速度小于燃烧速度，喷射速度缓慢，而燃烧速度太快时，便造成火焰倒向割（焊）炬和胶管而产生回火现象，处理不当时会发生乙炔爆炸现象。

乙炔在割焊时，若割（焊）嘴过热会使混合气体受热膨胀，压力增高，部分混合气体能在割（焊）嘴内自燃。

天然气由于其燃烧速度、火焰传播速度比较低，而对其喷射速度要求比较高，就不可能发生这种回火现象。

天燃气与液化石油气（主要成分丙烷）相比，丙烷比重较大,如有漏气或燃烧不完全，易积于低洼处、密闭或半密闭场所,遇火会燃烧成灾；丙烷对人体有麻醉作用，吸入一定量的丙烷的人员会出现中毒症状。

故应严防漏气或采取相应的通凤措施。

而天然气其相对密度比较低，在出现泄漏或燃烧不充分时，不会出现沉积现象，甲烷对人体没有明显的毒性。

总之，天然气与丙烷相比也具有相对好的安全性。

1.3 成本与环保分析
目前我国的工业燃气还在大量使用的是乙炔，乙炔是工业生产燃气，每生产一吨乙炔需耗电10800度，需要3吨焦碳和3吨水，同时产生3.3吨污染渣，乙炔气中1518mg/m3的H2S
和1213mg/m3的PH3，乙炔燃气污染重、耗能高。

天然气是天然矿产燃气，能耗低，经过处理后不含任何有毒物质。

与其它工业用燃气相比，由于其氢含量高，燃烧产物的二氧化碳排放量最低。

而与液化石油气的对比试验得到的结果可以看出，在切割相同工件时，消耗1Kg的FD-10增效天然气，现有燃气将消耗约2.675Kg。

年消耗液化石油气500吨，改用FD-10增效天然气则仅需要187吨，节省能源折合原煤约902吨。

丙烷和甲烷的燃烧化学方程式分别为
丙烷燃烧的化学反应方程：
甲烷燃烧的化学反应方程：
它们在化学恰当比燃烧条件下，消耗相同燃气重量(以1kg为例)时，消耗的氧气重量，燃烧产物中二氧化碳、水的重量都不相同参见表6。

消耗1Kg甲烷放出2.75Kg二氧化碳，而1Kg丙烷放出3Kg二氧化碳，就是说在消耗同样质量的两类燃气，丙烷的二氧化碳排放大约是甲烷的1.09倍，考虑甲烷的节气率，丙烷耗气是甲烷的2.675倍时，二氧化碳排放将是2.91倍。

年消耗丙烷500吨时二氧化碳排放1500吨，改用天然气（甲烷）二氧化碳排放仅为515吨左右。

减少二氧化碳排放985吨。

表5 两类燃气及其反应产物对比
甲烷(天然气) 丙烷（石油气）
分子量16 44
燃气消耗（kg） 1 1
氧消耗（kg） 4 3.64
成二氧化碳重量（kg） 2.75 3
生成水的重量（kg） 2.25 1.64
燃烧产物总重量 5.0 4.64
1.4 小结
FD-10天然气催化增温添加剂性能居国内外领先水平，增效后的天然气优于乙炔和国内外同类产品，火焰温度超过乙炔燃气。

预热时间比乙炔快10～50%，切割速度比乙炔快14～25%；有利于切割大厚度钢材，切割断面光洁，不塌边，挂渣少，不粘渣且易清除。

不仅切割质量好、速度快，而且碳钢焊接性能更有优势：抗氧化、焊池好、熔深够、能渗透、成形好、强
度高、易浮渣。

火焰矫正速度为乙炔的1.75倍，而且不氧化。

热喷涂亦占优势。

FD-10增效后的天然气可广泛应用于金属焊接、切割、热矫形、热喷涂等，在锅炉、窑炉、汽车、船舶、桥梁等领域的使用得到了良好的肯定有很好的使用前景。

自己动手算：用一度电，排放了多少二氧化碳
结论：在我国现阶段，终端用户每使用1kWh电能，火力发电厂就要排放0.86kg的二氧化碳。

要计算这个问题，首先要明确：二氧化碳的排放从哪里来？化石燃料的燃烧。

用电过程中又是如何排放二氧化碳的呢？——火力发电厂。

所以，要从火力发电厂找答案。

【资料1】标准煤的热值为2.927×107J/kg。

换算一下单位，是8.13 kWh / kg。

根据热值的概念，便是1kg标准煤完全燃烧能够产生
8.13kWh的热量。

但是这里问题就出现了：在火力发电厂，煤炭能完全燃烧吗？这8.13kWh的热量，能完全转化为电能吗？
【资料2】我国火力发电厂平均热效率：数据没找到~
额，真是的，这个效率找不到，还怎么算啊。

好在有另外一个数据：
【资料3】我国火力发电厂平均发电效率：370g / kWh。

意义是：发一度电，要燃烧煤炭370g。

取倒数，得到：2.703kWh / kg，即燃烧1kg煤炭能够发2.703度电。

接下来我从1kg煤炭出发，进行计算。

1kg的煤炭已经烧完了，在发电厂得到2.703度的电。

那么，这2.703度电，能一丝不差地输送到我家里的插座上么？
【资料4】国家电网平均线损率为6.12%。

由于导线电阻的存在，发电厂的电能输送到用户途中会产生损耗，只有(100% - 6.12%)即93.88%的电能到达了终端用户。

2.703kWh×9
3.88% = 2.5373kWh
意义为：火力发电厂燃烧1kg煤炭，输送到用户家中的电能为2.5373kWh。

【资料5】我国火力发电占全部发电量的83.6%。

这里还有个权重的问题，我们电网的电不全是由火力发电厂提供的，还有新能源啊：三峡大坝水力发电，还有核电站，太阳能风能什么的。

在此我假设：利用这些新能源发电，都不排放二氧化碳。

2.5373kWh÷8
3.6% = 3.035kWh
可以理解为：火力发电厂燃烧1kg煤炭，用户得到的电能为2.5373kWh。

但是这只占全部的83.6%，所以用户总共得到的电能就是3.035kWh。

∴得到关系式：1kg煤炭～3.035kWh电能
电这边就算完了。

接下来算二氧化碳这边。

燃烧1kg煤炭，产生多少二氧化碳？
【资料6】煤炭中碳元素的平均质量分数：数据没找到~
我本来想根据碳元素守恒，走化学计算的思路。

但问题在于：一是数据不好找，二是这种计算方法太理想化，需要假设煤炭中所有的碳元素都被氧化、粉尘和炉渣中不含碳元素、燃烧只生成二氧化碳而没有一氧化碳……
好在有现成的实际测定数据。

【资料7】我国现阶段火力发电厂每燃烧1吨煤炭，平均排放二氧化碳2620kg。

顺便来算一下：若假设煤炭中的碳元素全部以二氧化碳的形式排放，则可计算煤炭中碳元素质量分数，2620kg×(12/44)÷1t = 71.45%。

好像不算太离谱。

咱就不管它了~
由资料“燃烧1吨煤炭，排放二氧化碳2620kg”，
∴直接得出关系式：1kg煤炭～ 2.62kg二氧化碳
好啦，至此，由1kg煤炭出发，得到了两个关系式。

——1kg煤炭～2.62kg二氧化碳
——1kg煤炭～3.035kWh电能
相除：2.62kg÷3.035kWh = 0.86kg/kWh。

OK，结论已经得出：终端用户每使用1kWh电能，火力发电厂就要排放0.86kg的二氧化碳。

最后是N久以前参观科普展览时的资料，拿来验证一下我的结论：
【资料8】1度电的碳足迹为0.96kg。

就是每用一度电，要排放二氧化碳0.96kg。

和我结论至少是在同一个数量级上的，而且差值也在我能够允许的范围内，说明我算得还是不错的。

yeah~!。