第一章燃气分类及其性质

《燃气输配》建筑环境与设备工程系教材及参考文献《燃气输配》段常贵编，建工出版；《燃气供应》詹淑慧，建工出版；《燃气输配系统的设计与实践》李猷嘉著；《城镇燃气设计规范》GB50028—2006。绪论能源与燃气0.1能源概述0.2我国燃气发展历程与现状0.3我国城镇燃气规划发展0.1能源概述1.能源的地位2.能源分类3.天然气的利用与评价绪论1.能源的地位能源：能转换为我们所需能源的所有资源。地位：是人类社会和经济发展的基本条件之一。两次能源结构转变：柴-煤、煤-石油和天然气。目前的新能源：核能、太阳能、风能、地热能……绪论2.能源分类按利用技术分：常规能源、新能源；按使用性质分：燃料能源、非燃料能源；按存在形式分：一次能源、二次能源。绪论3.天然气的利用与评价用途：能源行业、化工行业特点：方便长距离输送、易燃、污染少。绪论0.2我国燃气发展历程与现状我国气体燃料发现和使用的历史悠久，早在公元468年，四川就开始使用天然气煮盐。据(川盐纪要)记载，明代时，在四川的天然气田已有竹制成木制的集输管道，总长度达100多公里，专门从事管道建设的工人有一万多。可见当时天然气的利用已具有一定的规模。绪论1.三个阶段20世纪80年代以前：焦炉煤气20世纪80——90年代：液化石油气，天然气起步20世纪90年代以后：天然气2.目前天然气在我国一次能源结构中的比例为3.8%，而世界的平均水平是24.3%。预计，2020年比例将上升至10%。2010年，北京天然气用量68.1亿立方米，“十一五期间”北京总用气量255.5亿立方米。2012年1-7月，我国进口天然气233亿立方米。绪论3.我国油气源评估和预测我国天然气资源量为43万亿m3，其中陆上30万亿m3，海上13万亿m3，另外还有30—50万亿m3的煤层气资源。这些资源量集中分布在中、西部地区和近海地区。海上天然气15.66%煤层气48.19%陆上天然气36.14%海上天然气陆上天然气煤层气我国油气资源评估图绪论0.3我国城镇燃气规划发展我国城镇燃气规划发展目标建设部制定的“十二五”计划纲要中提出：“十二五”末，城市燃气的普及率要达到94％，县城及小城镇燃气普及率达65%以上。居民用气人口达6.25亿以上，居民用气量330亿立方米。工业、商业、服务业用气达810亿立方米。“十二五”期间，城镇新建燃气管道25万公里，则城镇燃气管道总长度将为60万公里。绪论西气东输：陕甘宁——北京青海——兰州、重庆、武汉新疆——上海俄气南供：黑龙江、辽宁、北京、天津、河北进口液化天然气：东南亚——广东珠江三角洲地区浙江北仑-总投资76亿元、建最大的天然气接收站近海天然气：南海气田——海南、广西东海气田——上海、浙江渤海西南部——天津、山东半岛绪论第1章燃气的分类及其性质1.31.2城市燃气的质量要求燃气的性质燃气的分类及用途1.1燃气的分类及其性质1.1燃气的分类及用途燃气的概念燃气：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。燃气的分类主要有天然气、人工燃气、液化石油气、沼气四类燃气的分类及其性质1.1.1天然气1.按开采方式分为五种：气田气（纯天然气）：主要成分是甲烷（80-98%），乙烷-丁烷的含量一般不大，戊烷及以上重烃含量少，发热值为35MJ/m3左右。凝析气田气(深层气田气)：从含石油轻质馏分的凝析油中分离出来的。除含有大量甲烷外，戊烷及以上烃含量较高。还含有汽油和煤油成分。热值在50MJ/m3石油伴生气：一种与石油共生的天然气，并随石油一起开采出来。甲烷含量：80-85%，乙烷及以上的烷烃含量稍高一些，热值在38MJ/m3；煤层气：在成煤过程中形成并聚集在合适构造中，成分为CH4，少量的CO2，热值在40MJ/m3；矿井气：煤层气在矿井空间与空气的混合气体，成分为CH4、CO2、N2、O2，热值在12-20MJ/m3；燃气的分类及其性质2.按其成分为六种干气：C5及其以上烃类13.5cm3/Sm3；湿气：C5及其以上烃类13.5cm3/Sm3；富气：C3及其以上烃类94cm3/Sm3；贫气：C3及其以上烃类94cm3/Sm3；酸性气体：含大量H2S、CO2，需净化后才能使用；洁气：含少量H2S、CO2，不需净化可直接使用。其中：基方：1atm20℃(standardcubicmeter,简写：Sm3）标方：1atm0℃(normalcubicmeter,简写：Nm3）燃气的分类及其性质3.按其性质分为两种常规：在地壳岩层中聚集为气田的天然气或与石油拌生的天然气等；非常规：煤层气、天然气水合物（燃冰）、地下水圈溶解气、致密砂岩气、深盆气等。燃气的分类及其性质发电——燃气轮机原理：以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。比较：废物排放量很低；发电效率高；建设成本低，建设速度快；燃气轮机启停速度快，调峰能力强，耗水量少，占地省。4.天然气的主要用途燃气的分类及其性质燃料电池1839年，Wi111amGrove爵士通过将水的电解过程逆转而发现了燃料电池的原理——能够从氢气和氧气反应中获取电能。20世纪60年代——宇宙飞行的发展，才使燃料电池技术重又提到议事日程上来。出于对保护环境的能源供应的需求，激发了人们对燃料电池技术的兴趣。燃气的分类及其性质08年嵌入手机的燃料电池厚度已经相当薄了天然气化工工业天然气——合成氨、甲醇及其加工产品(甲醛、醋酸等)、乙烯、乙炔、二氯甲烷、四氯化碳、二硫化碳、硝基甲烷等。在世界合成氨产量中，约80％以天然气为原料。城市燃气事业（居民和工业用燃料）汽车燃料压缩天然气（CNG）汽车。压缩天然气是指压缩到20.7—24.8MPa的天然气，储存在车载高压气瓶中。液化天然气（LNG）汽车。液化天然气是指常压下、温度为-162℃的液体天然气，储存于车载绝热气瓶中。燃气的分类及其性质5.天然气的应用特点①清洁、安全：②高效、经济：输配压力高，故比人工煤气节约建设投资；热利用率较高，且目前价格相比人工煤气和液化石油气低一些。③易于运输和储存④方便：热值高，热利用率高，节省做饭时间；⑤用途广泛；⑥资源丰富。燃气的分类及其性质1.1.2人工燃气干馏煤气：煤在隔绝空气的情况下干馏，主要产物是焦炭，副产品就是干馏煤气。可作为城市气源。焦炉煤气：烟煤在炼焦炉中经高温干馏是炼焦副产品。主要作燃料和化工原料。主要由H2（56%）和CH4（27%）构成，并有少量CO、CO2、N2、O2和其他烃类；其低发热值为18250kJ/Nm3，密度为0.4～0.5kg/Nm3，运动黏度为25×10(-6)m2/s。燃气的分类及其性质焦炉燃气的分类及其性质气化煤气：煤+水蒸气——煤气（CO和H2）。用于加热焦炉或混气——调整发热值或供气量。不能单独作为城市气源。高炉煤气：炼铁时的副产品（CO和N2），热值约3800-4200KJ/m3。一般用作焦炉加热。油制气：石油加工的副产品。是重油等在高温下裂解。催化裂解油制气的组成和热值与焦炉煤气接近，可作为城市气源。燃气的分类及其性质人工燃气的发展前景燃气工业发展：煤制气为主→油制气为主→天然气为主。原因：污染大、能耗大、成本高；比重越来越小——煤的比重不断↘，天然气的↖↖；煤的气化技术——技术储备。燃气的分类及其性质煤的地下气化技术开采和转化结合——对地下煤层就地进行气化的工艺过程。主要成分：CO、N2、CO2，还有少量CH4和H2S。适用煤种广泛，特别是对无法开采或开采价值不高的煤层。燃气的分类及其性质“气化炉”（空气或富氧空气）1.1.3液化石油气主要成分：丙烷、丁烷状态：气体（标状），当压力升高或温度降低时呈液态。特点：气体泄漏的流散性与液化气的潜伏性；吸热冻伤性；毒害性；易产生静电；腐蚀性：属碳氢化合物，具腐蚀性，需经常检查维修设备。燃气的分类及其性质来源：天然石油气；炼厂石油气。应用特点：易液化——可用瓶装供气，供应方法灵活，可不必建输气管网，且投资低，国内已广泛采用其作为城市气源。我国：产量居世界第四，消费量居世界第三。从上世纪90年代开始，我国对液化石油气的需求量猛增，到目前已成为液化石油气第二进口大国，仅次于日本。燃气的分类及其性质1.1.4沼气(生物气)来源有机物质在隔绝空气的条件下，经微生物发酵得到。应用特点富含CH4，可作民用燃气和动力燃气。农村：大量的小型沼气池产生；城市：有机工业废水、垃圾及酒厂、柠檬酸厂等工业也产生大量的沼气。沼气发电：燃气轮机燃气的分类及其性质1.2燃气的性质一、混合气体及混合液体的平均分子量、平均密度和相对密度(1)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（%）（≈摩尔分数）；x—各单一液体分子成分（%）（=摩尔分数）。燃气的分类及其性质(2)平均密度和相对密度混合气体：平均密度：湿燃气的密度：相对密度：是指气体的密度与相同标准状态下的空气密度的比值。燃气的分类及其性质混合液体：相对密度：指液体的密度与标压下4℃的水的密度的比值。由于标压下4℃时水的密度为1kg／Nm3，所以，液体的平均密度与相对密度在数值上相等。在常温下，液态液化石油气的平均密度是0.5-0.6kg／Nm3，其相对密度为0.5—0.6，约为水的一半。二、临界参数及实际气体状态方程1.临界温度与临界压力临界温度:温度超过某一数值，无论加多大压力都不能使气体液化，这个温度就叫该气体的临界温度。甲烷的临界温度为190.6K（即-82.55℃)——常温下，甲烷不能液化。临界压力:在临界温度下，使气体液化所需压力称为临界压力。燃气的分类及其性质临界温度：临界压力：2.实际气体状态方程理想气体PV＝RT实际气体PV＝ZRT压缩因子Z：偏离1的程度——实际气体偏离理想气体的程度；Z随气体的温度和压力而变化的。工程上：当燃气压力低于lMPa、温度在10～20℃之间时——近似为理想气体。燃气的分类及其性质三、黏度的影响因素压力随压力的升高动力粘度μ增大（影响较小，可略）；温度气体：温度越大，动力粘度增大——温度修正；液体：温度越大，动力粘度越小——查图；分子量气体：分子量越大，动力粘度越小液体：分子量越大，动力粘度越大燃气的分类及其性质四、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——成正向关系。2.混合气体蒸气压一定温度下，当密闭容器中的混合液体及其蒸气处于动态平衡时，混合液体的蒸气压等于各组分蒸气分压之和。取决于所含组分及其在混合液体中所占比例。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。燃气的分类及其性质3.计算公式结论：混合液体的蒸气压：在温度一定时，只与其液相组成有关，与质量无关。蒸气压大的组分容易气化（液化石油气中先蒸发出丙烷）。燃气的分类及其性质(二)相平衡常数一定温度下，一定组成的气液相平衡系统中，某一组分的相平衡常数：ki=Pi’/P=yi/xi五、沸点和露点(一)沸点定义：是在1atm(绝对压力下)液体沸腾时的温度。特点：沸点越低——越易沸腾和气化。液化石油气中丙烷、丙烯沸点低。如：甲烷沸点：-162℃——常压时，为气态；液化较难。丙烷：-42℃——寒冷的冬季，易气化。影响因素：压力增加，液体沸点升高。燃气的分类及其性质液化石油气掺混空气前后露点的比较要降低混合气的露点，可在其中掺入露点低的组分，如液化石油气掺混空气。露点随混合气体压力和组分变化——压力降低，露点降低。输送气态CH化合物时，必须使其温度高于露点。燃气的分类及其性质(二)露点是饱和蒸气经冷却或加压，立即处于过饱和状态，当遇到接触面或凝结核便液化成露，这时的温度称为露点。气态碳氢化合物，其饱和蒸气压对应的温度即露点，而且也是液体在同一压