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煤气知识
城市煤气是现代化城市不可缺少的一项基础设施。
城市煤气又是一个优质燃气能源。
城市煤气可以用人工方法制取,也可以从天然资源中获取。
用人工方法制取的城市煤气,是从固体燃料和液体燃料加工中得到的。
在我国,主要是干馏煤气和油煤气,还有从石油炼厂得到的液化石油气。
从天然资源中获取的城市煤气,有天然气、液化石油气和矿井气等。
符合一定要求的可燃气体才能作为城市煤气。
因此,了解煤气的种类、性质、城市煤气的质量要求、煤气的互换性和分类,对于煤气的生产加工和输配以及安全性都是十分必要的。
一、煤气的种类
煤气的种类习惯上分为天然气、人工煤气和液化石油气三大类。
各类煤气的一般组分与低热值见表。
序
号
煤气类别
一般组分(体积%)
低热值
[MJ/Nm3]
(kcal/Nm3)
CH4
C3H8
C4H10
CnHm
CO
H2
CO2
O2
N2
一
1
2
3
二
1
2
3
三
天然气
气田气
油田伴生气
矿井气
人工煤气
焦炉煤气
发生炉煤气
高炉煤气
液化石油气
98
81.7
52.4
27.0
1.8
0.3
—
0.3
6.2
—
—
—
—
50
0.3
4.86
—
—
0.4
—
50
0.4
4.94
—
2.0
—
—
—
—
—
—
6.0
30.4
28.0
—
—
—
—
56.0
8.4
2.7
—
—
0.3
4.6
3.0
2.2
10.5
—
—
0.2
—
1.0
0.4
—
—
1.0
1.8
36.0
5.0
56.4
58.5
—
36.22(8650)
45.47(10860)
18.84(4500)
18.25(4360)
5.74(1370)
3.94(940)
108.44(25900)
各类煤气的一般组分与低热值
一)天然气
天然气一般可分为四种:
从气井开采出来的气田气称纯天然气;伴随石油一起开采出来的石油气称石油伴生气;从井下煤层抽出的矿井气;另外还有含石油轻质馏分的凝析气田气。
天然气也是城市煤气的重要气源之一。
二)人工煤气
人工煤气是从固体燃料或液体燃料加工中获取的可燃气体。
一般可分为:
(一)固体燃料干馏煤气利用焦炉、连续式直立炭化炉和立箱炉,对煤进行干馏所获得的煤气称为干馏煤气。
用干馏方法生产煤气,每吨煤可产煤气300~400m3。
这类煤气组分中的甲烷和氢含量较高,低热值一般在16.75兆焦/标米3左右。
干馏煤气的生产历史较长,工艺比较成熟,是我国目前城市煤气的主要气源之一。
(二)固体燃料气化煤气如压力气化煤气、发生炉煤气、水煤气等均属此类。
压力气化煤气的低热值一般在15.07兆焦/标米3左右,可作为城市煤气。
发生炉煤气和水煤气的主要组分为一氧化碳和氢。
发生炉煤气的低热值为5.44兆焦/标米3左右,水煤气的低热值为10.47兆焦/标米3左右。
由于这两种煤气的热值低,一氧化碳含量高,不宜单独作为城市煤气的气源。
在城市煤气的气源中,发生炉煤气多用来加热焦炉和连续式直力炉,以顶替出热值较高的干馏煤气,增加供应城市的煤气量;水煤气与干馏煤气、重油蓄热裂解煤气掺混,作为城市煤气的调度气源。
(三)高炉煤气高炉煤气是冶金工业在炼铁过程中的副产气,主要组分是一氧化碳和氮气,低热值约为3.77~4.19兆焦/标米3。
因此,高炉煤气可用于炼焦炉的加热,以替代出焦炉煤气。
高炉煤气也常用作锅炉的燃料或与焦炉煤气掺混用作冶金工业加热工艺的燃料。
三)液化石油气
液化石油气是开采和炼制石油过程中,作为副产品而获得的一部分碳氢化合物。
液化石油气的主要组分是:
丙烷(C3H8)、丙烯(C3H6)、正(异)丁烷(C4H10)和正(异)丁烯、反(顺)丁烯(C4H8)。
习惯上称C3、C4,即只用烃的炭原子(C)数表示。
液化石油气中烯烃部分可用作化工原料,而其烷烃部分可用作燃料。
液化石油气已成为我国绝大多数城市煤气的主要气源之一。
二、城市煤气(人工煤气)的质量要求
1.主要内容与适用范围
本标准规定了由人工制气厂生产的人工煤气的技术条件。
本标准适用于以煤或油为原料的人工煤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。
2.引用标准
GB10410—1—89人工燃气组分气相色谱分析法
GB12205—90人工燃气主组分化学分析方法
GB12206—90城市燃气热值测定方法
GB12208—90城市燃气中焦油和灰尘含量的测定方法
GB122091.2—90城市燃气中萘含量测定——苦味酸法
GB12210—90城市燃气中氨含量测定——中和滴定法
GB12210—90城市燃气中氨含量测定——纳氏试剂分光光度法
GB12211—90城市燃气中硫化氢含量测定——碘滴定法
GB12211—90城市燃气中硫化氢含量测定——亚甲兰分光光度法
GB12211—90城市燃气中硫化氢含量测定——醋酸铅试纸法
3.质量指标(见表1-2)
4.检验规则
(1)本标准采样地点应在人工煤气输入城镇燃气管网入口处。
(2)人工煤气生产单位(包括馈气单位)均应按照本标准规定的分析方法执行,并必须制定相应的实施措施。
5.组分变化的要求
(1)城市煤气的华白数波动范围,不宜超过±7%。
(2)城市煤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。
项目
质量指标
鉴定方法
热值①(兆焦/米3)应大于
14.7
GB12206—90
杂质
焦油和灰尘(毫克/米3)应小于
10
GB12208—90
硫化氢(毫克/米3)应小于
20
GB12211—90
氨(毫克/米3)应小于
50
GB12210—90
萘②(毫克/米3)应小于
50(冬季)
GB122091.2—90
100(夏季)
含氧量(体积%)应小于
1
GB10410—1—89
含一氧化碳量(体积%)③宜小于
10
GB10410—1—89
人工煤气质量指标表1-2
1本标准中米3指在101.325千帕,0℃状态下的体积。
2萘系指萘和它的同系物α—甲基萘及β—甲基萘。
3对气化燃气或掺有气化燃气的人工煤气,其一氧化碳含量应小于20%(体积)。
三)城市煤气的互换性
互换性是城市煤气的重要指标。
具有多种气源的城市,常常会遇到以下两种情况:
一种是,随着煤气供应规模的发展和制气方式的改变,某些地区原来使用的煤气可能由其他一种性质不同的煤气所代替;另一种是,基本气源产生紧急事故,或在高峰负荷时,需要在供气系统中掺入性质与原有煤气不同的其他煤气。
当煤气成分变化不大时,燃烧器燃烧工况虽有改变,但尚能满足燃具的原有设计要求;当煤气成分变化过大时,燃烧工况的改变使得燃具不能正常工作。
任何燃具,都是按一定的煤气成分设计的。
设某一燃具以α煤气为基准进行设计和调整,若以s煤气来置换α煤气,如果燃具此时不加任何调整而能保证正常工作,则表示s煤气可以置换α煤气,或称s煤气对α煤气具有“互换性”。
反之,如果燃具不能正常工作,则称s煤气对α煤气没有互换性。
为了达到互换性的要求,制气方法不能随意选用,新的制气方法(置换气)须对原制气方法(基准气)具有互换性。
四)煤气的燃烧特性指标
决定煤气互换性的基因是煤气的燃烧特性指标:
华白数(或称发热指数)和燃烧势(或称燃烧速度指数)。
当煤气性质(煤气成分)改变时,华白数和燃烧势同时改变。
(一)华白数
华白数是在互换性问题产生初期所使用的一个互换性判定指数。
在置换气和基准气的化学、物理性质相差不大,燃烧特性比较接近时,可以用华白数指标控制煤气的互换性。
各国一般规定在两种煤气互换时华白数的变化不大于±5~10%。
华白数是一项控制燃具热负荷衡定状况的指标。
华白数W按下式计算:
W=QH/d
QH——煤气高热值[兆焦/米3];
d——煤气相对密度(空气=1)。
当使用煤气低热值来计算华白数W时,应注明,并在煤气互换时应统一计算热值。
(二)燃烧势
随着气源种类的增多,出现了燃烧特性差别较大的两种煤气的互换性问题,除了华白数以外,还必须引入燃烧势因素。
燃烧势是反映煤气燃烧火焰所产生离焰、黄焰、回火和不完全燃烧的倾向性的一项反映燃具煤气燃烧稳定状况的综合指标。
燃烧势按下式计算:
CP=K×[1.0H2+0.6(CmHn+CO)+0.3CH4]/d
式中H2、CmHn、CO、CH4——煤气中氢、碳氢化合物(除甲烷以外)、一氧化碳甲烷组分含量(体积%);
d——煤气相对密度(空气=1);
K——煤气中氧含量修正系数,按下式计算:
K=1+0.0054O22
式中O2——煤气中氧组分含量(体积%)。
三.气体燃料的性质
一)、气体燃料的物理性质
气体燃料是由多种可燃和不可燃的单一气体组成的混合物。
单一气体在标准状态下(0℃和
101325pa(1标准大气压)的物理性质见表1-3。
几种常用气体燃料的特性见表1-4。
气体名称
分子式
分子量
M
分子体积
Vx
m3/kg分子
气体常数
R
Pa.m3/kg.K
密度
ρ
kg/m3
比重
S
(空气=1)
沸点
℃
临界压力
Pk
Mpa
临界温度
Tk
K
临界压缩
系数
Zk
导热系数
λ
W/m.K
运动粘度
υ
Mm2/s
动力粘度
μ
Mpa.s
氢
H2
2.0160
22.4270
4125061
0.0899
0.0695
-252.75
1.255
33.3
0.304
0.2163
93.00
8.36
一氧化碳
CO
28.0104
22.3984
296.57
1.2506
0.9671
-191.48
3.383
133.0
0.294
0.0230
13.30
16.58
甲烷
CH4
16.0430
22.3621
517.00
0.7174
0.5548
-161.49
4.491
190.7
0.290
0.0302
14.50
10.40
苯
C6H6
78.1140
20.3609
96.67
3.8365
2.967
80.1
--
--
--
0.0088
1.82
6.98
硫化氢
H2S
34.0760
22.1802
241.42
1.5363
1.188
-61.8
--
--
--
0.0131
7.63
11.67
二氧化碳
CO2
44.0098
22.2601
187.59
1.9771
1.5289
-78.2
7.149
304.2
0.274
0.0137
7.09
14.03
二氧化硫
SO2
64.0590
21.8821
126.80
2.9275
2.264
-10.8
--
--
--
--
4.14
12.07
氧
O2
31.9988
22.3923
259.53
1.4291
1.1052
-182.98
4.913
154.8
0.292
0.0250
13.60
19.42
氮
N2
28.0134
22.4035
296.62
1.2504
0.9670
-195.78
3.285
126.2
0.297
0.0249
13.30
16.68
氨
NH3
17.0310
480.80
0.7714
0.6967
-33.4
10.934
405.55
0.242
0.0215
12.0
9.14
空气
28.9660
22.4003
286.82
1.2931
1.0000
-192
3.645
132.5
--
0.0249
13.40
17.17
水蒸气
H2O
18.0154
21.6290
445.25
0.833
0.644
21.409
647.0
0.230
0.0162
10.12
8.44
部分单一气体在标准状态下的物理性质表1-3
几种常用气体燃料的特性(干煤气0℃760mmHg)表1-4
煤气
种类
密度
kg/m3
定压比热容
cp
kcal/m3.℃
(kJ/m3.℃)
绝热
指数
K
高热值
Qh
kcal/m3.℃
(kJ/m3.℃)
低热值
Qe
kcal/m3.℃
(kJ/m3.℃)
华白
指数
W
动力粘度
μ×106
kg.s/m2
(pa.s)
运动
粘度
υ×106
m2/s
爆炸极限
L
(上/下)
(空气中体积%)
理论
空气量
Vº
m3//m3
理论
烟气量
Vºy(湿/干)
m3//m3
干烟气量大CO2量
体积%
理论燃烧温度
te,℃
最大燃烧速度
m/s
焦炉
煤气
0.4686
1.3320
(1.3900)
1.3750
4734
(19820)
4208
(17618)
6150
1.184
(11.603)
24.76
35.8/4.5
4.21
4.88/3.76
10.6
1998
0.857
混合
煤气
0.6695
1.3270
(1.3691)
1.3841
3681
(15412)
3310
(13858)
4040
1.240
(12.152)
18.29
42.6/6.1
3.18
3.85/3.06
13.9
1986
0.842
天然气
0.7435
0.3726
(1.5600)
1.3082
9650
(40403)
8704
(36442)
10100
1.054
(10.329)
13.92
15.0/5.0
9.64
10.64/8.65
11.8
1970
0.380
液化
石油气
2.5272
0.8408
(3.4248)
1.1532
29207
(122284)
27176
(113780)
17090
0.727
(7.125)
2.82
9.7/1.7
28.28
30.67/26.58
14.6
2050
0.435
注:
表中特性值由计算而得,非实测值。
1.气体的密度、比容
标准状态下单一气体的密度为:
ρ0=M/Vm
式中ρ0————标准状态下单一气体的密度,kg/m3;
Vm——标准状态下千克分子气体体积,m3;
M——单一气体的千克分子量,kg。
标准状态下混合气体的密度为:
ρm=0.01ΣρiVi
式中ρm——标准状态下混合气体的密度,kg/m3;
Vi——标准状态下千克分子气体体积,m3;
ρi——标准状态下混合气体各组分的密度,kg/m3。
工作状态下气体的密度按下式计算:
ρd=0.0022(ρ0+φdb)/(0.833+φdb)×P/(273+t)×1/Z
式中ρd——工作状态下气体的密度,kg/m3;
ρ0——标准状态下干气体的密度,kg/m3;
φ——工作气体相对湿度;
db——工作气体温度为t时的饱和水蒸气含量,kg/m3干气;
P——工作气体绝对压力,Pa;
t——工作气体温度,℃
Z——压缩系数;
0.833——水蒸气密度,kg/m3。
比容为:
υ=1/ρ
式中υ——气体的比容,m3/kg;
2.溶解度
气体在水中的溶解度:
一氧化碳、硫化氢、氧、氮、空气等气体为微溶于水的气体,当其分压为101325Pa(绝)时的溶解度见表1—4
气体分压为101325Pa(绝)时的溶解度(cm3气体/L水)表1—4
气体
温度,℃
0
10
20
30
40
50
60
80
100
甲烷
55.6
41.8
33.1
27.6
23.7
21.3
19.5
17.7
17.0
一氧化碳
35.2
27.8
22.7
19.2
16.5
14.2
12.0
7.6
0.00
二氧化碳
1713
1194
878
665
530
436
359
--
--
氢
21.4
19.3
17.8
16.3
15.3
14.1
12.9
8.5
0.00
硫化氢
4370
3590
2910
2330
1860
--
--
--
--
氮
23.3
18.3
15.1
12.8
11.0
9.6
8.2
5.1
0.00
氧
48.9
38.0
31.0
26.1
23.1
20.9
19.5
17.6
17.0
(二)气体燃料的燃烧特性
2.热值
1m3煤气完全燃烧所放出的热量称为该煤气的热值,单位为kJ/m3。
热值分为高热值和低热值。
高热值是指1m3煤气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度,而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量。
低热值是指1m3煤气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度,但烟气中的水蒸气仍按蒸汽状态时所放出的热量。
煤气的高热值在数值上大于其低热值,差值是烟气中所含水蒸气组分的气化潜热。
在一般城市煤气应用设备中,实际上煤气燃烧排放的烟气温度较高,烟气中的水蒸气是以气体状态排出的,因此在工程应用上一般采用低热值。
单一可燃气体的热值是根据该气体燃烧反应的热效应算得的。
几种常见的单一可燃气体的高热值和低热值见表1-5。
几种单一可燃气体的燃烧特性表1-5
气体名称
氢
一氧化碳
甲烷
硫化氢
分子式
H2
CO
CH4
H2S
燃烧反应式
H2+0.5O2=H2O
CO+0.5O2=CO2
CH4+2O2=CO2+2H2O
H2S+1.5O2=SO2+H2O
热效应kJ/kg分子
高
286013
283208
890943
562572
低
242064
283208
802931
518644
热值kJ/m3
高
12753
12644
39842
25364
低
10794
12644
35906
23383
理论空气需要量,耗氧量m3/m3干煤气
空气
2.38
2.38
9.52
7.14
氧
0.5
0.5
2.0
1.5
理论烟气量m3/m3干煤气
CO2
--
1.0
1.0
1.0
H2O
1.0
--
2.0
1.0
N2
1.88
1.88
7.52
5.64
Vf
2.88
2.88
10.52
7.64
燃烧温度℃
2210
2370
2043
1900
着火温度℃
400
605
540
270
爆炸极限,%(常压,20℃)
下限
4.0
12.5
5.0
4.3
上限
75.9
74.2
15.0
45.5
3.爆炸极限
可燃气体和空气(或氧气)的混合物能发生着火以至引起爆炸的浓度范围,称作爆炸极限,其最低浓度称作下限,最高浓度称作上限。
爆炸极限的单位一般用可燃气体或蒸汽在混合物中的体积百分比数来表示。
几种常见的单一可燃气体在常压、20℃时的爆炸上下限见表1-5。
可燃气体中含有惰性气体时,可将某一惰性气体组分与某一可燃气体组分组合起来,视为混合气体中的一种组分,其体积组分为二者之和,其爆炸极限由有关专业书中可查到。
四。
气体燃料的化学组分
(一)、气体燃料的组成物
任何一种气体燃料都是由一些单一气体混合而成的。
其中,一部分是可燃气体,另一部分是不可燃的气体。
可燃性的气体成分有CO、H2、CH4和其他气态碳氢化合物以及H2S等。
不可燃的气体成分有CO2、N2和少量的O2。
除此之外,在气体燃料中还含有水蒸气、焦油蒸汽及粉尘等固体微粒。
为了更深入地了解各种工业煤气的有关特性,现将组成工业煤气的主要单一气体的物理化学性质说明如下。
2.甲烷(CH4)
甲烷为无色气体,微有葱臭,分子量16.04,密度0.715kg/m3,难溶于水,0℃时1个体积水内可溶解0.557体积的CH4,20℃时可溶0.030体积,动力粘度μ0=10.359×10-6pa.s,临界温度-82℃,Q低约为35800kJ/m3。
与空气混合后可引起强烈爆炸,爆炸浓度范围2.5~15%。
着火温度为530~750℃,火焰呈微弱亮火,当空气中甲烷浓度高达25~30%时才有毒性。
2.乙烷(C2H6)
乙烷为无色无臭气体,分子量30.07,密度1.341kg/m3。
难溶于水,20℃时1体积的水可溶0.0472体积的C2H6,临界温度-34.5℃,Q低约为63700kJ/m3,空气中爆炸范围2.5~13%,着火温度510~630℃,火焰有微光。
3.氢气(H2)
氢气为无色无臭气体,分子量2.016,密度0.0899kg/m3,难溶于水,20℃时1体积水中可溶0.0215体积的H2,临界温度-239.9℃,Q低=10800kJ/m3,空气中的爆炸范围4.0~75.9%,着火温度510~590℃,空气助燃时火焰传播速度为267cm/s,较其他气体均高。
4.一氧化碳(CO)
一氧化碳为无色无臭气体,分子量28.00,密度1.250kg/m3,0℃时1体积水中可溶0.035体积的CO,临界温度-197℃,Q低=12644kJ/m3,在空气中的爆炸范围12.5~74.2%,着火温度610~658℃,在气体混合物中含有少量的水蒸气即可降低其着火温度,火焰呈蓝色,毒性大,空气中含有0.06%即有害于人体,含0.4%时致人死亡。
空气中可允许的CO浓度为0.02g/m3。
5.乙烯(C2H4)
乙烯为具有窒息性的乙醚气味的无色气体,有麻醉作用,分子量28.5,密度1.260kg/m3,难溶于水,0℃时1体积水中可溶0.266体积的C2H4,临界温度9.5℃,Q低约为59000kJ/m3,易爆,爆炸范围2.7~34%,着火温度540~547℃,火焰发光,空气中乙烯浓度达到0.1%时对人体有害。
6.硫化氢(H2S)
硫化氢为无色气体,具有浓厚的腐蛋气味,分子量34.07,密度1.52kg/m3,易溶于水,0℃时1体积水中可溶解4.7体积的H2S,Q低约为23000kJ/m3,爆炸范围4.3~45.5%,着火温度364℃,火焰呈蓝色,毒性大,室内大气中最大允许浓度为0.01g/m3,当浓度为0.04%时有害于人体,0.10%可致人死亡。
7.二氧化碳(CO2)
二氧化碳为略有气味的无色气体,分子量44.00,密度1.977kg/m3,易溶于水,0℃时1体积水中可溶1.713体积的CO2,临界温度+31.35℃,空气中CO2浓度达25mg/L时,对人体有危险,浓度为162时,即可致命。
8.氧(O2)
氧是无色无臭的气体,分子量32.00,密度为1.429kg/m3,0℃时1体积水中
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