1章--燃气的分类与性质

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,城市燃气概论,制作：臧子璇,重庆大学 燃气教研室,2013.6,于渝,第一章 燃气的分类与性质,第一节,燃气的分类与性质,第二节,城市燃气的分类与性质,第三节,各种燃气的基本性质,第一节 燃气的分类,燃气的概念,燃气：一切可燃烧的气体,城市燃气：可作为城市燃料的可燃烧气体，如天然气、液化石油气、焦炉煤气,。城市燃气必须符合城市燃气的质量标准（国家分别制定有：天然气、人工燃气、液化石油气的标准）。,“,燃气,”,与,“,煤气,”,的概念有区别。,燃气的种类,按,燃气的来源通常可以把燃气分为天然气、人工燃气、液化石油气和生物质气等。,天然气,一般认为，天然气是古代动、植物的遗体在不同的地质条件下，通过生物化学作用以及地质变质作用生成的可燃气体。在一定压力下，天然气经运移，储集在地下适宜的地质构造中，形成矿藏，埋藏在深度不同的地层中。天然气是一种混合气体，其主要成分是低分子量烷烃，还含有少量的二氧化碳、硫化氢和氮气等。,天然气既是化工产品原料气，又是优质燃料气，是理想的城镇燃气气源。利用天然气，促进低碳化，节能减排、提高能源利用率，能源的可持续发展。,天然气的开采、储运和使用既经济又方便。如液态天然气的体积仅为气态时的,1/600,，有利于运输和储存。目前，天然气将会取代石油成为全球的主导能源。,国家从合理调整能源利用结构、科学治理大气环境的角度，提出了加大天然气在能源消费结构中利用比例的基本国策，通过实施“立足国内，利用海外，西气东输，北气南下，海气登陆，就近供应”的天然气气源战略，力求使天然气在一次能源消费结构中的比例提高到,12%,。,非常规天然气,指由于目前技术经济条件的限制尚未投入工业开采的天然气资源。包括天然气水合物、煤层气、页岩气、水溶气、浅层生物气及致密砂岩气等。其中煤层气已经像常规天然气,样得到开采利用。我国非常规天然气资源量丰富，在未来将具有巨大的应用前景。,1,） 天然气水合物,俗称“可燃冰”，是天然气与水在一定条件下形成的类冰固态化合物。标准状态下，,1,单位体积的甲烷水合物最多可结合,164,单位体积的甲烷。天然气水合物的开采过程中，最大限度地减少对环境和气候的影响等技术难题是目前需要解决的问题。,2,） 煤层气,煤层气又称煤层甲烷气，是煤层形成过程中经过生物化学和变质作用以吸附或游离状态存在于煤层及固岩中的自储式天然气。成分以甲烷为主，含有少量的二氧化碳、氮、氢以及烃类化合物。煤层气的开发利用可以防范煤矿瓦斯事故、有效减排温室气体，是高效、洁净的城镇燃气气源。,3,） 页岩气,页岩气是以吸附或游离状态存在于暗色泥页岩或高碳泥页岩中的天然气。页岩气的开发具有开采寿命长和生产周期长等优点，但由于页岩气储层的渗透率低，使页岩气的开采难度较大。我国页岩气资源广泛分布于海相、陆相盆地，资源量丰富。,基方：,1atm 20(standard cubic meter,简写：,Sm3,）,标方：,1atm 0(normal cubic meter,简写：,m3,）,按其储运方式分为三种：,管输天然气,液化天然气（,Liquified Natural Gas,，简称,LNG),，,气田生产的天然气净化处理，经一连串超低温液化后，利用液化天然气船（车）运输，其体积约为同量气态天然气体积的,1/600,，可作为大、中城市燃气气源。,压缩天然气（,Compressed Natural Gas,简称,CNG,）,指压缩到压力大于或等于,10MPa,且不大于,25MPa,的气态天然气，它与管道天然气的组分相同,主要成分为甲烷，用作车用燃料或供小规模城镇燃气用户使用。,甲烷：临界温度：,191.05K,（,-82.1 ,）；临界压力：,4.6407MPa,天然气的分类,天然气有多种分类方式，按照勘探、开采技术可分为常规天然气和非常规天然气两大类。,常规天然气,：按照矿藏特点可分为气田气、石油伴生气和凝析气田气等。,气田气（纯天然气）：,气田气是从气井直接开采出来的燃气。气田气的成分以甲烷为主，甲烷含量在,90%,以上还含有少量的二氧化碳、硫化氢、氮和微量的氦、氖、氦等气体，其低热值约为,36MJ/m,3,。,凝析气田气,(,深层气田气,),：,凝析气田气是含石油轻质馏分的燃气。凝析气田气除含有大量甲烷外，还含有,2%,5%,的戊烷及其他碳氢化合物，低热值约为,48MJ/m,3,。,石油伴生气：,伴随石油一起开采出来的低烃类气体称为石油伴生气。石油伴生气的甲烷含量约为,80%,，乙烷、丙烷和丁烷等含量约为,15%,，低热值约为,45MJ/m,3,。,非常规天然气,指由于目前技术经济条件的限制尚未投入工业开采的天然气资源。包括天然气水合物、煤层气、页岩气、水溶气、浅层生物气及致密砂岩气等。其中煤层气已经像常规天然气,样得到开采利用。我国非常规天然气资源量丰富，在未来将具有巨大的应用前景。,1,） 天然气水合物,俗称“可燃冰”，是天然气与水在一定条件下形成的类冰固态化合物。标准状态下，,1,单位体积的甲烷水合物最多可结合,164,单位体积的甲烷。天然气水合物的开采过程中，最大限度地减少对环境和气候的影响等技术难题是目前需要解决的问题。,2,） 煤层气,煤层气又称煤层甲烷气，是煤层形成过程中经过生物化学和变质作用以吸附或游离状态存在于煤层及固岩中的自储式天然气。成分以甲烷为主，含有少量的二氧化碳、氮、氢以及烃类化合物。煤层气的开发利用可以防范煤矿瓦斯事故、有效减排温室气体，是高效、洁净的城镇燃气气源。,3,） 页岩气,页岩气是以吸附或游离状态存在于暗色泥页岩或高碳泥页岩中的天然气。页岩气的开发具有开采寿命长和生产周期长等优点，但由于页岩气储层的渗透率低，使页岩气的开采难度较大。我国页岩气资源广泛分布于海相、陆相盆地，资源量丰富。,基方：,1atm 20(standard cubic meter,简写：,Sm3,）,标方：,1atm 0(normal cubic meter,简写：,m3,）,液化石油气从气态转为液态，体积约缩小,250,300,倍；天然气从气态转为液态，体积约缩小,600,625,倍。（）,我国城市燃气中的,“,标准立方米,”,是指：,A,A. 101.325kPa,，,0,状态下的体积,B. 101.325kPa,，,10,状态下的体积,C. 101.325kPa,，,20,状态下的体积,人工燃气,以固体或液体可燃物为原料经各种热加工制得的可燃气体称为人工燃气。主要有干馏煤气、气化煤气和油制气等。,干馏煤气,以煤为原料利用焦炉或直立式炭化炉等进行干馏，所获得的可燃气体称为干馏煤气。焦炉煤气是炼焦过程的副产品。,热值在,16.7MJ/m3,，可作为城市气源。,气化煤气,以固体燃料为原料，在气化炉中通入气化剂,(,空气、氧气、水蒸气等,),，在高温条件下经过气化反应而得到的可燃气体称为气化煤气,，,通常有发生炉煤气、水煤气、蒸汽一氧气煤气。发生炉煤气和水煤气这两种煤气热值低、一氧化碳含量高，毒性大，不适宜单独作为城市燃气的气源,；,蒸汽一氧气煤气，也叫压力气化煤气,，,煤气中氢气含量超过,70,，甲烷占,15,，氢气和甲烷是煤气的主要成分，低热值为,17MJ,m,3,可以作为城市燃气。,人工燃气国家标准,:,热值,14.7MJ/m3,两段式完全气化炉煤气,包括发生炉型两段炉煤气和水煤气型两段炉煤气。水煤气型两段式完全气化炉，上段为干馏段，下段为气化段。煤气的主要成分是氢气和一氧化碳，其低热值在,12 MJ,m3,左右。由于一氧化碳含量在,30,左右，经过处理，可采用部分一氧化碳变换及加臭等技术措施可作为中、小城市气源，也可作掺混或调峰气源,。,油制气,以石油及其产品作为原料，经过高温裂解而制成的可燃气体。按制取方法的不同又可分为热裂解、催化裂解、部分氧化和加氢裂解等四种油制气。,催化裂解油制气的组成与热值和焦炉煤气接近，可作为城市气源。,高炉煤气,钢铁厂在炼铁过程中由高炉排放出来的气体，主要成分是一氧化碳和氢气，发热值约为,4MJ,m3,。高炉气可用于焦炉加热，顶替出焦炉煤气供应城市。也可用作锅炉燃料或与焦炉气掺混作为钢铁厂加热工艺的燃料。,液化石油气,以凝析气田气、石油伴生气或炼厂气为原料气，经加工而得的可燃物质为液化石油气。液化石油气大部分来自石油炼制过程中的副产品。,液化石油气成分主要是丙烷和丁烷，标准状态为气体，当压力升高或温度降低时呈液态。由于液化石油气液化容易，可采用瓶装供气，供应方法灵活，可不必建输气管网，且投资低，国内已广泛用作城市气源。,生物质气,生物质气：是以生物质为原料通过,发酵,、,干馏,或,直接气化,等方法产生的可燃气体。,沼气：各种有机物质，如蛋白质、纤维素、脂肪、淀粉等，在隔绝空气的条件下发酵，并在微生物的作用下可产生可燃气体。,发酵的原料粪便、垃圾、杂草和落叶等有机物质，用于干馏和气化的秸秆、稻壳、树枝、木屑都是农业和林业的废弃物，因此,生物质气属于可再生资源,。,生物质气中甲烷的含量约为,60%,，二氧化碳约为,35%,，还含有少量的氢、一氧化碳等气体。生物质气的低热值约为,21MJ/m,3,。,液化石油气的主要成分是丙烷、丙烯、丁烷和丁烯。,（,x）,城市燃气的分类,以燃气的燃烧特性指标进行分类，这是用气设备分类及标准化、系列化的基础，也是燃气生产和供应部门根据规定，调整多种燃气的掺混比例，以确保燃气供应基本质量的基础。,燃气的燃烧特性指标,华白指数,(,或称发热指数,),和燃烧势,(,或称燃烧速度指数,),。当燃气性质,(,燃气成分,),改变时，华白指数和燃烧势同时改变。,华白指数,是一项控制燃具热负荷衡定状况的指标,，,是在互换性问题产生初期所使用的一个互换性判定指数。一般规定，在两种燃气互换时，华白数的变化不大于土,5%,10%,。华白指数是一项控制燃具热负荷衡定状况的指标,，,华白指数,计算公式见教材。,燃烧势,反映燃气燃烧火焰所产生离焰、黄焰、回火和不完全燃烧的倾向性，是一项反映燃具燃气燃烧稳定状况的综合指标。燃烧势,计算公式见教材。,城市燃气的分类见,下,表。,我国燃气分类是以燃气燃烧特性指标进行分类，燃烧特性指标主要有： 华白指数 和燃烧势。（）,第二节 城市燃气的质量要求,城市燃气的质量指标,天然气,的,质量指标,【SY7514 】,标准适用于气田、油田采出经矿物分离和处理后用管线输至用户，并按产品类别分别作为民用燃料、工业原料和工业燃料的天然气。,天然气质量指标应符合,下表,规定。,城市燃气必须达到一类或二类气的质量要求。,油田液化石油气的质量指标,【GB 9052.1】,本,标准,适用于油气田天然气气体处理装置分馏出来的丙烷、丁烷为主的液态烃类混合物。油田液化石油气质量指标见表,l,5,。,液化石油气的质量指标,【GB11174,本标准适用于作工业和民间燃料。质量指标见表,1-6,。,人工燃气的质量指标,【GB13612】,本标准适用于以煤或油为原料的人工燃气，经城镇燃气管网输送至用户作为居民生活、工业企业生产和公共建筑用气的城镇燃气。质量指标见表,下表,根据我国城市燃气质量要求，天然气及人工燃气中硫化氢的含量不得超过,10mg/m,3,。（,）,城市燃气组分变化的要求,城市燃气华白指数波动范围，不宜超过,7,。,城市燃气燃烧性能的其他参数指标，应与用气设备燃烧性能的要求相互适应,。,城市燃气的加臭,城市燃气应具有可以察觉的气味，无臭或臭味不足的燃气应加臭。,燃气中含臭剂量的要求,有毒燃气,(,一般指含有一氧化碳、氰化氢等有毒成分的气体,),泄漏到空气中，达到对人体允许的有害浓度之前，应能察觉。,无毒燃气,(,一般指不含有一氧化碳、氰化氢等有毒成分的气体，如天然气、液化石油气等,),泄漏到空气中，达到爆炸下限的,20,浓度时，应能察觉。,臭味剂的类别,臭味剂一般为硫醇类和带环状的硫化物两种。,根据我国城市燃气质量要求，燃气的华白指数波动范围不宜超过,10%,。（,）,简述燃气中含臭剂量的要求？,第三节 各种燃气的性质,燃气的物理化学性质,燃气的组成,燃气是由多种气体组成的混合气体，它主要由低级烃,(,甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯,),、氢气和一氧化碳等可燃组分，三氧化碳、氮气和氧气等不可燃组分，以及氨、硫化物、氰化物、水蒸气、焦油、萘和灰尘等杂质所组成。,组成燃气的各单一气体在标准状态下的物理化学性质见表,1-11,。,混合气体的临界温度与临界压力计算,燃气的平均分子量、平均密度和相对密度,平均分子量：,混合气体：,混合液体：,式中,:M,混合气体,(,液体）的平均分子量；,y,各单一气体容积成分（,%,）；,x,各单一液体分子成分（,%,）。,平均密度和相对密度,已知某种组分的天然气平均密度为,0.754kg/m,3,（注：空气的平均密度为,1.2931kg/m,3,），则它的相对密度：,A,A.,1 B.,1 C. = 1,下列燃气的相对密度比较正确的是：,A,A.,天然气液化石油气,B.,天然气液化石油气,C.,天然气液化石油气,临界参数,当温度不超过某一数值，对气体进行加压可以使气体液化，而在该温度以上，无论施加多大压力都不能使之液化，这个温度称为该气体的临界温度；在临界温度下，使气体液化所需的压力称为临界压力；此时的比容称为临界比容；上述参数统称为临界参数。,临界参数是气体的重要物性数据，一些单一气体的临界参数列于表,1-11,。,气体临界温度越高，越易液化。由于组成天然气的主要成分甲烷的临界温度低，故天然气较难液化；而组成液化石油气的碳氢化合物的临界温度较高，故较易液化。,混合气体临界参数的计算,粘度,燃气是有粘滞性的，这种特性用粘度表示。,气体的粘度随温度的升高而增加，而液体的粘度则随温度的升高而降低。这是因为流体的粘度一方面是由分子间的吸引力所引起，另一方面也因分子不规则的热运动而变换动量的结果。对于燃气，其分子间吸引力很小，温度升高则体积膨胀，对分子间吸引力的影响不大，但增大了气体分子的运动速度，于是气体层间作相对运动时产生的内摩擦力就增大，即粘度增大。,饱和蒸气压,饱和蒸气压：一定温度下密闭容器中的液体及其蒸气处于动态平衡时蒸气所表示的绝对压力。,影响因素：,仅与温度有关,(,温度越大，蒸汽压越大,),，与密闭容器的大小和液量无关,混合气体蒸气压取决于所含组分及其所占比例,蒸汽压的性质给液态烃如液化石油气的容器设计提供重要的设计参数。,有,a,和,b,两瓶液化石油气，其液相组分及液相温度均相同。其中，,a,瓶所装液量,b,瓶所装液量。试比较两瓶液化石油气的气相压力，正确的是：,C,A. a,b B. a,b C. a = b,四、饱和蒸气压及相平衡常数,（一）饱和蒸气压：,1.,影响因素,仅与温度有关,(,温度越大，蒸汽压越大,),，与密闭容器的大小和液量无关,混合气体蒸气压取决于所含组分及其所占比例,蒸汽压的性质给液态烃如液化石油气的容器设计提供重要的设计参数。,燃气的热力学性质与燃烧特性,燃气的气化潜热,单位数量物质由液态变成与之处于平衡状态的蒸气所吸收的热量为该物质的气化潜热。燃气中常见的组分在,0.1MPa,压力下，沸点时的气化潜热列于表,1-12,中。,燃气的热值,燃气热值是指单位数量,(1kmol,、,lm,3,或,1kg),燃气完全燃烧时所放出的全部热量。单位分别为,kJ/kmol,、,kJ/Nm,3,、,kJ/kg,。燃气工程中常用,kJ/m,3,，液化石油气有时用,kJ/kg,。,燃气热值可分为高热值和低热值。高热值是指单位数量的燃气完全燃烧后，其燃烧产物和周围环境恢复至燃烧前温度，而其中的水蒸气被凝结成同温度水后放出的全部热量，低热值是指单位数量燃气完全燃烧后，其燃烧产物和周围环境恢复至燃烧前温度，而不计其中水蒸气凝结热时所放出的热量。,