燃气气源概论

第一节燃气的种类

1、天然气2、人工燃气

3、液化石油气

4、其他气体（自学）第二节燃气的基本性质

1、燃气的物理化学性质

2、燃气的热力与燃烧特性第三节城镇燃气气源的质量要求

1、城镇燃起的质量要求

2、气源选择依据

第一章燃气气源概论燃气是易燃、易爆的混合气体，有些燃气还具有毒性。燃气中含有可燃气体（H2、CO、甲烷、碳氢化合物等）；不可燃气体（CO2、N2等）；少量杂质：O2、H2S。第一章燃气气源概论

燃气有多种分类方式，按其来源及生产方式大致可分为四大类：天然气、人工燃气、液化石油气和生物气（人工沼气）。一、天然气天然气是由古代动、植物的遗体在不同的地质条件下，通过生物化学作用生成的可燃气体，它埋藏在地层中。

第一节燃气的种类

天然气是一种混合气体，其主要成分是：低分子量烷烃（甲烷、乙烷等）、少量的CO2、H2S、N2等。天然气开采系统基建投资少，工期短，见效快，按标准燃料计算，天然气的生产成本是石油的25%，煤炭的5%～15%。天然气从地下开采出来有利于远距离输送。天然气热值高（四川天然气：34800～36000kJ／Nm3，人工燃气：16700kJ／Nm3），容易燃烧，且燃烧效率高，是优质的气体燃料。同时，天然气又是许多化工产品的原料，如合成氨、炭黑、乙炔等。(一)、天然气的分类天然气按矿藏特点分，可分为4类：1.气田气（纯天然气）气田气是指由气田开采出来的纯天然气。其主要成分：甲烷80%～90%，少量的CO2、H2S、N2，微量的He、Ne、Ar

四川的天然气即为气田气，CH4含量不少于90%2.凝析气田气凝析气田气是指含有少量石油轻质馏分（如汽油、煤油成分）的天然气。主要成分甲烷约占75%。当凝析气田气由气田开采出来后，经减压降温，可分离为气液两相。3.石油伴生气（石油气）石油伴生气是指与石油共生的，伴随石油一起开采出来的天然气。（溶解在石油中）主要成分：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷，少量的戊烷和重烃4.煤矿矿井气（瓦斯）煤矿矿井气是指从井下煤层抽出的矿井气。其主要可燃组分是甲烷。(二)、天然气的生成与气藏的形成（了解）天然气是由有机物质生成的。这些有机物质是海洋、湖泊中或陆地上的动、植物遗体，在特定的地质环境中，经去氧加氢富集碳的过程形成分散的碳氢化合物。天然气生成之后，是呈分散状态存在于地下岩石的孔隙、裂缝中或以溶解状态存在于地下水中。要形成气藏，除了有良好的储集层，还要有合适的盖层、气体的迁移和聚集过程等条件。天然气生成之后，能储存天然气并能使天然气在其内部流动的岩层，称为储集岩层。它是天然气气藏形成不可缺少的重要条件。（储集空间）

盖层是指储集层上面的不渗透层，它能阻止天然气逸散。天然气在地壳内不断迁移，在迁移过程中受到某一遮挡物遮挡而停止移动并聚集起来。储集层中这种遮挡物存在的地段称为圈闭，圈闭是储集层中富集天然气的容器。当一定数量的天然气在圈闭内聚集后，就形成气藏。如果同时聚集了石油和天然气，则称为油气藏。有一个或几个气藏就组成气田。整个过程简单表示如下：动、植物遗体—天然气—迁移、聚集—气藏—气田(三)、天然气的开采与加工天然气一般埋藏在地下，在地表不能发现。要利用各种勘探方法寻找天然气气藏，并开采其中具有商业开采价值的气田。1、天然气的勘探a.地质法（地质调查法）即在地面利用自然露头或人工剖面来直接进行地质观察、研究岩石及地层结构等情况，分析有无天然气生成与储存的条件，这种方法一般只能用于寻找地表附近的浅层天然气。b.地球物理勘探法是在地面或水面上利用各种仪器对地下地质构造进行勘察。c.钻探法是根据地球物理勘探的结果，在可能的含油气构造上钻探井，钻穿目的层，直接了解岩石性质含油情况。2、天然气的开采在发现了具有开采价值的天然气田后，就可以进行气田的开采，开采计划要根据气田的具体情况制定，计划包括天然气集中运输、回收及净化方案等。天然气的开采一般采用钻井的方法，将井钻到气层的深度，从气井中将天然气采到地面。（P12图）再进入集输流程，并从天然气中分离出油、水及杂质，经净化、计量后，将符合要求的天然气外输至用户。地下天然气—气井—地面—集输—净化—计量—用户气井井身结构图见P12，井的施工过程如下：钻井—下钢套管—固定（水泥）—射孔—下钢油（气）管—采气（油）3、天然气的集输将天然气从各分散的气井（或油井）集中起来，进行必要的加工和计量，然后输送到天然气净化厂、加工厂或输气干线的过程称之为天然气集输。天然气集输系统的主要设施有井场装置、集气站、矿场压气站、天然气处理厂和输气干线首站等；主要工艺流程包括油气分离、处理、计量、储存、输送、污水处理等。图1-3为某天然气集输系统流程示意图。（P15）

①井场装置一般设在气井附近。天然气—节流—油气分离器（除油、水、杂质）—计量—集气管网②集气站

是将各井场装置初步处理后的天然气集中，再一次进行节流、分离、计量。

③矿场压气站只在气田开采后期（或低压气田），当地层压力不能满足后续管道的输送要求时设置，用来增加压力。

④天然气处理厂对外供天然气进行集中净化处理的地方。任务是除去天然气中的凝析油、水、硫化物及其他杂质，以满足管道输送和用户对天然气质量的要求。

(四)、天然气的净化p15为满足天然气管道输送的使用要求天然气必须净化,净化工作在天然气处理(净化)厂进行:

1.脱油2.脱水3.脱硫返回(五)、天然气的液化p16液态天然气的体积为气态的1／600，有利于储存和运输。（家用液化气）天然气的液化过程实质上就是通过换热，不断取走天然气的热量，使其液化。天然气的液化过程属于深度制冷，因此，天然气在液化前必须净化，脱除深度制冷过程中可能固化的物质，如水、CO2、H2S及丙烷以上的重烃类，其净化程度要求高于一般管道输送天然气的净化要求。净化后的天然气，其主要成分为甲烷。返回二、人工燃气人工燃气是指以固体或液体可燃物为原料加工生产的气体燃料。煤气：以煤为原料加工制成的燃气。（煤制气）

油制气：以石油及其副产品（如重油）制取的燃气。(一)、人工燃气的种类①干馏煤气

干馏=物质隔绝空气加热的过程.

当煤隔绝空气受热时,分解产生可燃气即煤气、可燃液体煤焦油和可燃固体焦碳等物质。P17图1-4为煤的干馏过程

煤气(制气)煤通过干馏→｛煤焦油焦碳(炼焦)其他化工产品P17图1-4为煤的干馏过程,根据对煤进行加热的最终温度不同(产物也不同),可分为高温干馏(900-1100度)中温干馏(660-800度)低温干馏(500-580度)干馏煤气的主要成分:H2\CH4\CO煤的炼焦和制气是同时进行的。生产主要环节是将煤置于焦炉中进行高温干馏，获得焦碳和煤气。焦炉煤气是我过人工燃气的主要气源之一。以生产焦炉煤气为住的炼焦厂也称为炼焦制气厂、焦化厂P17图1-5为焦化厂的生产流程示意图。②气化煤气（自学）

将固体燃料（煤、焦碳）在高温下与气化剂（空气、氧、水蒸汽等）相互作用，通过化学反应使用固体燃料中的可燃物质转变为可燃气体的过程称为固体燃料的气化,得到的燃气称为气化煤气。

固体燃料气的气化一般是在气化炉中进行的。固体燃料的气化方法很多。根据气化原料，气化剂气化炉的结构和操作条件不同，可以制取不同质量的煤气。目前使用较多的有3种：发生炉煤气、水煤气、和压力气化煤气。发生炉煤气:气化剂为空气和水蒸汽连续制气水煤气

:气化剂水蒸气间歇制气压力气化煤气:气化剂高压氧和水蒸气连续制气煤在压力下进行气化，可以促进甲烷的生成。经净化处理后，煤气组成中甲烷的含量接近焦炉煤气，作为城镇燃气比较理想③油制气油制气是以石油及其副产品（如重油）为原料，经过高温裂解而制成的可燃气体目前，我国主要采用重油为原料。制气方法有：热裂解法、催化裂解法等。

热裂解法是在有水蒸汽存在，温度为800-900度的条件下使炭化合物裂解的方法。由加热和制气两个阶段交替进行。间歇制取油制气。该法制取的燃气一般含重碳氢化合物比较多。氢的含量较少。

催化裂解法是在热裂解法的生产过程中加入适当催化剂，促进裂解过程中生成的碳氢化合物与水蒸气之间发生反应，生成H2和CO含量较多的燃气。催化裂解气的组分、热值及燃烧性能非常接近焦炉煤气，是比较理想的城镇燃气气源。

(二)、人工燃气的净化人工燃气净化的目的：(1)降低温度(2)脱除水分(3)脱除其中的有害物质(4)回收有价值的副产品

P19表1-1是几种人工燃气净化前的杂质含量。从表中可以看出，不同的原料，不同的生产工艺，其杂质含量差别很大。

粗煤气(没净化的煤气)中的焦油，粗苯等是化工的重要原料，所以煤气的净化与副产品的回收是紧密结合在一起的。p20图1-7为焦炉煤气的净化与副产品的回收工艺流程示意图。焦炉--->粗煤气--->净化---->净媒气

城镇气源要深度净化.p20图1-8三、液化石油气(一)、液化石油气的来源液化石油气是石油开采\加工过程中的副产品(通常来自炼油厂)。液化石油气主要成分是丙烷，丙烯，丁烷和丁烯。其作为一种烃类混合物，具有常温加压或常压降温即可变为液态(便于储存和运输)，升温或减压，即可气化使用的显著特性，因而成为一种广泛使用的气源种类。液化石油汽的来源有两种:(1)天然石油气(开采中得)

a.石油伴生气:与石油共生的，伴随石油一起开采出来的油田气，从中提取石油气。P21图1-9从石油伴生气中分离液化石油气的流程。

b.凝析气田气:是一种深层的富天然气，伴随石油一起开采，开采出来后进行气液分离，提取液化石油气。(2)炼厂石油气:是在石油炼制加工过程中获得的副产品。不同的原油加工炼制工艺可得到的不同种类的炼厂石油气。产率一般为石油的4%~5%.(二)、液化石油气的净化p21液化石油气同样要脱除一些有害杂质如硫化物、水分等(三)、液化石油气的特点(1)常温常压下是气态，但升高压力或降低温度就可以转为液态(2)从气态转为液态，体积约缩小250~300倍通常采用常温加压使其液化，便于储运。所以用于运输、储存、分配液化石油气的容器多是压力容器，如家用石油液化气罐(3)热值高p21液化石油气低热值约48.1MJ/kg(液态)，87.8~108.7MJ/m3(气态)（液减压变气充分燃烧）

天然气41.9MJ/m3

人工燃气15.1MJ/m3

(4)比空气重液化石油气约为空气的1.5-2倍，泄露时减压变为气态(吸热大冻伤），积聚在低处。(5)危险性大爆炸下限低（2%左右）极易与周围空气混合形成爆炸性气体,还有麻醉作用。泄露、气化、吸热、降低环境温度冻伤。四、其他气体(一)、煤层气与矿井气煤层气与矿井气也属天然气，煤层气也称煤田气，是成煤过程中产生，并在一定的地质构造中聚集的可燃气体。其主要成分为甲烷、CH4还有CO2、H2等。

矿井气又称矿井瓦斯，是煤层气与空气混合而成的可燃气体。其主要成份：甲烷（30%—55%）、氮气（30%—55%）、O2、CO2等。井下的矿井气必须及时抽取排除(窒息、爆炸）。当抽取的矿井气中甲烷含量达到35%—40%，低热值不低于12.5MJ/m3时，可作为城镇燃气气源，一举两得。(二)、天然气水合物(非常规能源)p24“天然气水合物”又称笼形包和物，俗称“可燃冰”。是天然气在0℃和30个大气压的作用下结晶而成的“冰块”。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，“冰块”里甲烷占80%～99.9%，可直接点燃。燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小得多。1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。“可燃冰”是一种非常规天然气，可成为未来能源。“可燃冰”的开发技术还在研究当中。目前，我国已在南海海底探测到大量“可燃冰”，据估计，占到中国石油总储量的一半。历时9年，累计投入5亿元，07年中国从南海北部成功钻获了天然气水合物实物样品“可燃冰”，成为继美国、日本、印度之后第四个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。我国从1993年起成为纯石油进口国，因此，查清可燃冰家底及开发可燃冰资源，对我国的后续能源供应和经济的可持续发展，战略意义重大。在未来十年，我国将投入8.1亿元对这项新能源的资源量进行勘测，有望到2015年进行可燃冰试开采

但人类要开采埋藏于深海的可燃冰，尚面临着许多新问题。有学者认为，在导致全球气候变暖方面，甲烷所起的作用比二氧化碳要大1020倍。而可燃冰矿藏哪怕受到最小的破坏，都足以导致甲烷气体的大量泄漏。另外，陆缘海边的可燃冰开采起来十分困难，一旦出了井喷事故，就会造成海啸、海底滑坡、海水毒化等灾害。由此可见，可燃冰在作为未来新能源的同时，也是一种危险的能源(三)、生物气（沼气）p24各种有机物，在低温条件下通过厌氧发酵，在微生物的作用下产生的可燃气体叫生物气。（沼气的组分中甲烷的含量约60%，CO2约为35%另外，还有少量的H2、CO等。）在农村利用沼气作为燃料、照明能源，节能、环保。产生沼气原料为粪便、垃圾、杂草、植物秸秆等有机物，无害化处理。人工沼气的利用有利于环境保护和生态平衡。（崇明有用）返回燃气是混合物，其中含有可燃物和不可燃物。可燃成分：碳氢化合物（烷烃，烯烃），H2，CO；H2

很轻、无色、无味、可燃、易爆，燃烧产物H2OCH4

轻、无色、无味、可燃、易爆，燃烧产物CO2+H2OCO剧毒、无色、无味、可燃，燃烧产物CO2不可燃成分：CO2，N2，O2等。一、燃气的物理化学性质(一)、燃气的组成1.混合气体的组分有三种表示方法：容积成分Yi=Vi/V=各组分的分容积/总容积质量成分gi=Gi/G=各组分的分质量/总质量分子(摩尔)成分xi=分摩尔数/总摩尔数=容积成分Yi第二节燃气的基本性质(二)、平均分子量Mp26因为混合气体不能同一个分子式来表示，所以燃气作为混合气体没有真正的分子量，其分子量只是各组成气体的平均分子量，他的值取决于组成气体的种类和成分。M=总质量/总摩尔数

M=(y1M1+y2M2+…+ynMn)/100

yn单一气体容积成分%；Mn单一气体分子量(三)、燃气的平均密度和相对密度密度=质量/体积(kg/m3)

(kg/L)1.混合气体（or液体）的平均密度ρ

（p291附表）ρ=∑yiρi湿燃气的密度ρw=(ρ+d)×0.833/(0.833+d)

d_燃气的含湿量,(kg/m3干燃气)

2.混合气体相对密度S混合气体：S=ρ/ρ空气

S空气=1

S=ρ/1.293标准状态空气s＜1比空气轻

s＞1比空气重

ρ：混合气体的平均密度kg/m31.293:标准状态下空气的密度kg/m3P27表1-23.混合液体相对密度S液=ρ液/ρ水=ρ液/1=ρ液液态液化石油气的平均密度是0.5-0.6kg/L其相对密度是0.5-0.6约为水的一半。(四)、临界参数与气体状态方程1.气体的临界参数气体的临界参数是气体p-v图中上界线和下界线的交点，一般用C表示。C点的各项各数称为临界参数。Tc,Pc……

当温度不超过临界湿度时，加压可使气体液化，而当温度超过临界湿度，无论多大的压力，也不能使气体液化（只有将温度降到Tc以下）临界参数是气体重要的物理指标，气体的临界温度越高，越容易液化。液化石油气的临界温度较高，临界压力较低只需在常温下加压，即可使其液化。而天然气，在常压下，需将温度降至-163.15℃以下，才能使其液（难液化）。2.实际气体状态方程（了解）当气体的压力较高或温度较低时，就不能看作理想气体。因为此时的分子间引力，气体分子本身占有的容积都不能忽略。所以，此时理想气体状态方程就不再适用。实际气体状态方程表示如下Pν=ZRT式中P-绝压Pa

ν-比容m3/kgR-气体常数J/(kg*k)T-热力学温度（绝温）KZ-压缩因子（Z是随气体的P和T而变化的）

在工程上，当燃气压力低于1MPa(100H2O柱)，温度在10-20℃之间时，可以近似地看作理想气体进行计算。(五)、粘度\P29例（自学）

(六)、饱和蒸气压和相平衡常数1.饱和蒸气压p30①单一液体的饱和蒸气压：是指在一定温度下，密闭容器中的液体及蒸气处于动态平衡时，蒸气的绝对压力，简称蒸气压。同种液体的蒸气压，仅取决于温度。液态烃的饱和蒸气压随温度的升高而增大，见P30表1-3②混合液体的蒸气压，是指一定温度下当密闭容器中的混合液体及蒸气处于动态平衡时，气体的绝对压力。P30道尔顿定律

P=∑Pi=∑XiPi

（1-14）

P-混合液蒸气压PaPi-混合液体中某一组分的蒸气分压PaXi-混合液体中该组分的分子成分=容积成分Yi

Pi’-该组分在同温度下的蒸气压Pa

各组分的蒸气分压Pi=YiP=XiP（1-15）2.相平衡系数Ki

（Yi容积成分）(了解)在一定温度下，一定组成的气液平衡系统中，某一组分在该温度下的蒸气压Pi’（单一的）与混合液体蒸气压P（混合的）的比值是一个常数Ki；该组分在气相中的分子成分Yi与其在液相中的分子成分Xi的比值。同样也是这一常数Ki，Ki称为相平衡常数。

Pi’/P=Yi/Xi=Ki(七)、沸点和露点（ts和td）1.沸点Ts：液体温度升高至沸腾时的温度。不同的物质，沸点不同，并且ts与P有关，P↑-ts↑,显然，液体的沸点越低，越易沸腾和气化，反之亦然。如在一个大气压下，甲烷的ts=-162℃∴在常压下，甲烷是气态的；要使甲烷在常压下液化需要降温至-162℃以下。p312.露点：过热蒸气或饱和气经冷却或加压，将会达到过饱和状态，析出液体，液化成露。这时的温度称为露点，用td表示。

Td与碳氢化合物的性质及其压力有关。在输送组成为碳氢化合物的燃气时，应避免出现管道中燃气工作温度低于td的情况，以免产生凝析液。液体的出现会积在管道低处，减小气体通道面积，严重时甚至堵塞管道。(八)、体积膨胀大多数物质都具有热胀冷缩的性质。（水例外），液态液化石油气的体积也会因温度的升高而膨胀。因此，在液化石油气储存时，必须考虑温升时液体体积的增大。容器中要留有一定的膨胀空间，以免发生危险。P27表1-3是部分液态碳氢化合物和水的体积膨胀系数，液化石油气比水膨胀系数大约16倍。

体积膨胀量与温差和膨胀系数有关p26(九)、水化物（水合物）如果燃气中的水分超过一定含量，在一定的温度和压力条件下，水能与液相和气相的碳氢化合物生成结晶的水化物。在湿燃气中形成水化物的主要原因是高压力或低温条件，水化物不稳定，当压力降低或温度升高时，可自动分解。在输送湿燃气的管道中应采取措施，防止水化物的形成，如控制水分、低压输送、升高输气的温度、加防冻剂等。返回二、燃气的热力与燃烧特性（一）气化潜热指单位数量的物质由饱和液态全部变成饱和蒸气所吸热量。反之放出的热量为该物质的凝结热。两热值大小相等。其值实质为饱和蒸气与饱和液体的焓差。（二）燃气的热值燃气的热值是指单位数量的燃气完全燃烧时所放出的全部热量。燃气的热值又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，其燃烧的产物与周围环境恢复到燃烧前的原始温度，烟气中的水蒸气凝结成同温度的水后所放出的全热量。

低热值则是指在上述条件下，烟气中的水蒸气仍以蒸汽状态存在时，所获得的全部热量。干燃气的发热值为：

Hh=(1-19)Hl=(1-20)

Hh—干燃气的高发热值MJ/m3Hl—干燃气的高发热值MJ/m3Hh1…Hhn—各单一气体的高发热值MJ/m3Hl1…Hln—各单一气体的低发热值MJ/m3y1…yn—各单一气体容积成分湿燃气的发热值：

Hhw=(Hh+2352dg)0.833/(0.833+dg)HLw=HL0.833/(0.833+dg)dg—燃起的含湿量g/m3干燃气

dg是以1m3干燃气为基准的，指每立方干燃气所组成的湿燃气中所含水的克数。在实际工程中，烟气中的水蒸气通常以气体状态排出，所以，可利用的只是燃气的低热值，因此，在工程实际中，一般以燃气的低热值作为计算依据。含温量(比湿度)d由于燃气中只有干燃气的质量，不会随湿燃气的温度和湿度而改变（工程中往往是对湿燃气的去湿，湿量是变化的），在湿燃气中以1kg干燃气作为计算的基准。含湿量定义：在含有1kg干燃气的湿燃气中，所混有的水蒸气质量称为湿然气的含湿量)。

g/kg(a)含湿量（三）着火温度着火温度是指燃气开始燃烧时的温度。着火温度不是一个固定的值，他与可燃气体在空气中的浓度，与空气的混合程度、燃气压力等许多因素有关。在工程上，实际的着火温度应由试验确定。（四）爆炸极限燃气与空气或氧气混合后，当燃气到达一定浓度时，就会形成有爆炸危险的混合气体，这种气体一旦遇到明火即会发生爆炸。可燃气体的爆炸上下限称为爆炸极限。

可燃气体的爆炸下限：在可燃气体和空气的混合物中，可燃气体的含量少到使燃烧不能进行，即不能形成爆炸性混合物时的最低含量。可燃气的爆炸上限：当可燃气体的含量增加到一定程度，由于缺氧而无法燃烧，以至不能形成爆炸性混合物，这是的可燃气体含量为爆炸上限。爆炸极限是形成爆炸物的一个浓度界限。（五）液化石油气状态图//在进行热力计算时，一般需要使用饱和蒸汽压P，比容v,温度T，焓h和熵s等状态参数。为使用方便，根据各参数间的关系，绘制成曲线图，称之为状态图，返回s

水蒸气T-S图）p29丙烷状态图）1点(c临界点）p302线（CA饱和液线，CB饱和蒸汽线）3区（液相区、气液共存区、气相区）5状态干度x定义饱和蒸汽饱和液对干度x的说明：x=0饱和液x=1干饱和蒸汽0

≤x

≤1H2COCH4C2H6CO2N2O2容积成分%

5662223101高热值MJ/m312.75412.63639.84270.351---低热值MJ/m310.78612.63635.90264.397---例：已知焦炉煤气的容积成分及相应的热值如下：煤气的含湿量dg=12.5g/m3干燃气。试求焦炉煤气的高热值及低热值.干燃气热值按公式1-19计算（P27）干燃气高热值：Hn=Hn1y1+Hn2y2+……+Hhyn(1-19)=12.754*0.56+12.636*0.06+39.842*0.22+70.351*0.02=18.068MJ/m3干燃气低热值：H2=10.786*0.56+12.636*0.06+35.902*0.22+64.397*0.002=15.996MJ/m3换算成湿煤气的热值：Hnw=(Hn+2352dg)*0.833÷(0.833+dg)

=(18.068+2352*12.5÷1000)*0.833÷(0.833+12.5÷1000)=17.83MJ/m3Hlw=Hl*0.883÷(0.833+dg)=15.996*0.833÷(0.833+12.5÷1000)=15.76MJ/m3一、气源选择依据

1）气源资源因时制宜合理利用环保要求（石油天然气媒）

2）城镇条件经济气候环保要求应优先使用当地气源、尽量选取高热值低污染的洁净燃料气作为城镇能源（天然气）选择顺序天然气——人工燃气第三节城