燃气的基本性质1

1、卫星遥感NO2浓度数据（全球） Pollutants Emissions in China YearCO2SO2NOxParticulate 1971251 198914.8013.6 199065515.64 199116.20 199273316.8514.14 199372517.95 199473718.2530014.14 199578819.5031015.34 1996 200088918.0040014.00 2010 1191 (Unit: Mt) name percent of t otal world q uantitative （）（） Energy consum pt

2、ion 89 SO2 15.1 NOx 10.1 CO 9.6 主要能源的主要能源的CO2排放量排放量 清洁、可再生能源可减少温室气体排放。 例如，风电每提供100万千瓦时电量，平均 可减少600吨CO2排放量。 来源来源排放量（克排放量（克/千瓦时）千瓦时） 煤751961 石油726 天然气428 主要温室气体来源与含量主要温室气体来源与含量 CO2排放量前五位的国家排放量前五位的国家 国家国家 CO2排放量（）排放量（） 美国20.6 中国14.8 俄罗斯 5.7 印度 5.5 日本 4.0 胡锦涛主席在胡锦涛主席在20042004年年6 6月月1 1日院士大会报日院士大会报 告中提出告

3、中提出 l 我们必须把经济发展真正转到依靠科技进步和提 高劳动者素质的轨道上来，坚定不移地依靠科技 进步和创新来实现全面、协调、可持续发展。 l 加强能源领域的科技进步和创新，加强生态、环 境领域的科技进步和创新。 l 全面贯彻人才强国战略，要坚持在创新实践中识 别人才，在创新活动中培养人才，在创新事业中 凝聚人才，特别是要为年轻人才脱颖而出、施展 才干提供更大的舞台和更多的机会。 国际能源机构预测（百万吨标油）国际能源机构预测（百万吨标油） 2000年年 2010年年 2020年年 2030年年 煤炭233527023154 3606 石油360442725020.55769 天然气2085

4、27943498.5 4203 核电674573728703 水电228 274 320366 可再生223 336 477 618 总计917911131 13198 15265 未来能源需求的特点未来能源需求的特点 总需求持续上升总需求持续上升 （1）总量2020年比2000年增长50%以上，能源 供应形势紧张； （2）在长一段时期内，化石能源仍是主要的一 次能源； （3）天然气比例增加，石油减少； （4）可再生能源2030年前后大规模应用。 未来能源需求的特点未来能源需求的特点 （1）为减少燃煤污染：大量使用天然气、石 油； （2）为减少温室气体排放：注重节能和科学 用能； （3）加速可

5、再生能源开发：逐步建立可持续 发展能源结构。 环境保护对能源结构影响大环境保护对能源结构影响大 未来能源需求的特点未来能源需求的特点 高新技术对能源技术影响大高新技术对能源技术影响大 燃料多元化燃料多元化设备小型化设备小型化 冷热电联供与多联产 网络化 智能化控制环境友好 新一代能源系统注意吸取国外经验教训， 避免走弯路也是跨越式发展。 电力与新能源发电总装机容量规划电力与新能源发电总装机容量规划 2000年年2010年年2020年年 总装机容量总装机容量/万万kW32780587709510096000 水电水电 装机容量装机容量/万万kW79301500025000 所占比例所占比例(%)

6、2425.526 煤电煤电 装机容量装机容量/万万kW237004000060000 所占比例所占比例(%)736862.5 气电气电 装机容量装机容量/万万kw70020005000 所占比例所占比例(%)23.45 核电核电 装机容量装机容量/万万kW210117036004000 所占比例所占比例(%)0.624 新能源新能源 (风、太阳、物风、太阳、物 质、地热等质、地热等) 装机容量装机容量/万万kW24060015002000 所占比例所占比例(%)0.712 全球气温变化全球气温变化 1904 1914 1909 1919 1924 1929 1934 1939 1944 194

7、9 1964 1969 1974 1954 1959 1979 1984 1989 1994 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 气温异常值 本世纪气温异常曲线 西南中沙群岛的油气田分布 南沙油气资源 主要分布在曾母暗 沙、万安西和礼乐 滩等10几个盆地， 总面积约41万平方 公里，油气地质储 量估计为350亿吨。 其中曾母暗沙盆地 的油气地质储量为 126一137亿吨。 位于南沙群岛 的 海宁礁（Herald R eef）大约70公里 南部。 文莱一沙巴地，礼乐滩盆地，西北巴拉望盆地及郑和 盆地等，总面积约71万平方公里，在我断续国界

8、线内 的面积约26万平方公里。 南沙群岛全部或部分在我断续国界线内的 新生代含油盆地有8个，即：曾母盆地， 万安盆地，中越盆地，安渡滩盆地， 第第一章一章 天然气的基本性质天然气的基本性质 中山大学工学院中山大学工学院20102010级热能动力专业级热能动力专业 二一二年九月二十一日 燃气的定义及分类燃气的定义及分类 1 燃气的物理和热力学性质燃气的物理和热力学性质 2 天然气的燃烧性质天然气的燃烧性质 3 天然气水合物天然气水合物 4 城镇天然气的质量要求城镇天然气的质量要求 5 目 次（Contents） 1.1.燃气的定义及其分类燃气的定义及其分类 1.11.1定义定义 主要成分：主要成

9、分： 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； 氨、硫化物、水蒸气、焦油、萘和灰尘等杂质所 组成。 燃气是气体燃料的总称，它能燃烧而放出热量，供 城市居民和工业企业使用。 第二类第二类 第一类第一类 第三类第三类 天然气天然气 华白指数：35.853.7（天然气中甲烷含量大于85 %） 人工煤气人工煤气 华白指数：17.835.8（人工煤气主要是一氧化碳，还 有少量氢气）； 石油气石油气 华白指数：71.587.2（石油气是指丙烷或 丁烷的混合气体）。 按燃气气源的种类，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（沼气）。 沼气是一种混

10、合气体，可以燃烧。沼气是有机物经 微生物厌氧消化而产生的可燃性气体。 沼气一般含甲烷5070%，其余为二氧化碳和少量 的氮、氢和硫化氢等。 华白数华白数 又称为韦伯值（Wobbe Number） 表示一定压力的气体输给燃烧器具的热量 华白数= 式中：H标准状态下干天然气的高热值 ，千卡/米3；比重（以标准状况下空气 比重为1计） /H 燃料热值燃料热值 燃料热值也叫燃料发热量，指单位质量 (指固体或液体)或单位的体积(指气体) 的燃料完全燃烧，燃烧产物冷却到燃烧 前的温度(一般为环境温度)所释放出来 的热量。 高位发热量和低位发热量高位发热量和低位发热量 高位热值是指燃料在完全燃烧时释放 出来

11、的全部热量，即包括燃烧生成物 中的水蒸汽凝结成水时的发热量，也 称毛热。 低位热值是指燃料完全燃烧，其燃烧 产物中的水蒸汽以气态存在时的发热 量，也称净热。 1.2 1.2 燃气的分类燃气的分类 1.2.1天然气的分类天然气的分类 天然气含义：天然生成，并以一定压力蕴藏于 地下岩层或缝隙中的混合气体。它们埋藏在 深度不同的地层中，通过井筒引至地面。 一、一、天然气的组分天然气的组分 （1）烷烃 通式为CnH2n+2，是目前已发现的大部分天 然气的主要成分。天然气中可能存在的烷烃有： l在常压20时，甲、乙、丙、丁烷为气态，戊 烷以上到C7H36为液态，C18H38以上为固态； l在天然气中，庚

12、烷以上的烷烃含量极少。 CH4甲甲烷烷 C2H6乙乙烷烷 C3H8丙丙烷烷 C4H10丁丁烷烷 C5H12戊戊烷烷 C6H14己己烷烷 C7H16庚庚烷烷 （2）烯烃 通式为CnH2n，在大部分天然气中仅以痕量存在。 天然气中可能存在的烯烃有： C2H4乙乙烯烯 C3H6丙丙烯烯 C4H8丁丁烯烯 （3）芳香烃 天然气中可能存在的有苯、甲苯、二甲苯 和三甲苯。 （4） 非烃类 非烃类有氮气、硫化氢、氢气、氦气、氩 气、水蒸气，还有硫醇、硫醚以及二氧化 碳等有机硫化合物。 （5）其它化合物 多硫化氢（H2Sx）。含硫天然气气藏中的多硫 化氢会分解成硫化氢和硫磺。 沥青质。以胶溶态粒子的形态存在于

13、气相中， 主要是脂肪族性质的化合物。 l硫磺沉积在油管、井口、矿场设备、集硫磺沉积在油管、井口、矿场设备、集 气系统中，有时还会被带到气体加工厂；气系统中，有时还会被带到气体加工厂； l沥青质沥青质不能用一般的重力分离法进行分不能用一般的重力分离法进行分 离；离； l沥青质的存在会引起固体干燥剂吸附和沥青质的存在会引起固体干燥剂吸附和 液相吸收系统操作困难。液相吸收系统操作困难。 天然气的组成天然气的组成 l烷烃，如甲烷、乙烷 、丙烷等； l环烷烃：环戊烷环己 烷含量较多； l芳烃：苯、甲苯及其 同系物； 烃类烃类主要包括三主要包括三种种： l无机硫化合物：硫 化氢； l二氧化碳、一氧化 碳、

14、水蒸汽； 含硫、含氧物质及其含硫、含氧物质及其 他他 这些气体在天然气中 含量较高时，有必要 回收，以提高NG加 工处理的经济附加值。 NN2 2、氦等惰性气体、氦等惰性气体 非烃类组成非烃类组成烃类组成烃类组成其他气体其他气体 小小 结：结： 油田伴生气基本不含硫化氢； 天然气中CO含量通常不高，CO2含量一般占百分 之几，高的可达百分之几十； 在空气、天然气和含放射性元素的矿石和某些矿 泉水中都含有少量的氦。目前氦的主要来源是从 含氦天然气或从含氦天然气为原料的合成氨尾气 中提取。 天然气 Natural gas 气田气气田气( (或称纯天然气或称纯天然气) ) 通常，有机物埋藏在1千至6

15、千米 深，温度在65至150摄氏度，会产 生石油，而埋藏更深、温度更高 的会产生天然气。 石油伴生气石油伴生气 伴随石油一起逸出的气体，及部分 溶于石油中的天然气。含有少量易 挥发的液态烃。 凝析气田气凝析气田气 来源于凝析气藏。凝析气藏既产油 也产气。凝析气藏中的原油在地层 压力和温度下成气态，到地面压力 降低成为液态。 非常规天然气非常规天然气 煤田的煤层气与矿井气（煤层气 与空气混合而成的可燃气体。 二、二、天然气的分类天然气的分类 天然气的主要成分为甲烷，还含有乙烷、丙烷等低分子量烷天然气的主要成分为甲烷，还含有乙烷、丙烷等低分子量烷 烃和少量的氮气、二氧化碳、硫化氢和微量的氦、氩等其

16、他烃和少量的氮气、二氧化碳、硫化氢和微量的氦、氩等其他 非烃类气体。根据其矿藏特点，可分为：非烃类气体。根据其矿藏特点，可分为： 按照组分分类按照组分分类 干气干气 贫气贫气 酸性气酸性气 富气富气 洁气洁气 湿气湿气 每基方井口流出物中， C5以上重烃含量低于 13.5立方厘米 每基方井口流出物中， C5以上重烃含量大于 13.5立方厘米 每基方井口流出物中， C3以上重烃含量低于 94立方厘米 每基方井口流出物中， C3以上重烃含量低于 94立方厘米 含有显著的H2S和C O2等酸性气体 H2S和CO2含量甚微 1.2.2人工燃气的分类人工燃气的分类 人工燃气含义：是指从固体或液体燃料加工

17、所 产生的可燃气体。 l干馏煤气：对煤进行干馏所获得的煤气称为干 馏煤气，这类煤气中甲烷和氢的含量较高，低发 热值在16700KJ/m3； l气化煤气：包括压力气化煤气、水煤气和发生 炉煤气； l油制气：利用重油裂解制取的城镇燃气； l高炉煤气：冶金工厂炼铁时的副产气，主要成 分是一氧化碳和氮气。 1.2.3按照燃烧特性分类按照燃烧特性分类 各类燃气的一般组分与低热值如下表所示。 我国“城镇燃气分类”标准对城市燃气做出了相应 的分类，分类的指标是国际上广泛采用的华白指数 和燃烧势。 l表中华白指数为22.7，燃烧势为94的人工煤 气的类别为5R； l华白指数是燃具相对热负荷的一个度量； l燃烧

18、势燃烧势反映了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 项反映燃具燃烧稳定状况的综合指标。 燃烧势是指反映预混火焰内焰高度的指数， 又称燃烧过度指数。它的计算式为： 附录：稳定燃烧附录：稳定燃烧 火焰的稳定性，是指在规定的燃烧条件下火 焰能保持一定的位置和体积，既不回火，也 不断火。 火焰传播速度：火焰相对于无穷远处的未燃混合气 在其法线方向上的速度。 附录：火焰稳定的基本原理附录：火焰稳定的基本原理 要保证火焰前沿稳定在某一位置上，可燃物向前 流动的速度等于火焰前沿可燃物传播的速度，这 两个速度方向相反，大小相等，因而火焰前沿就 静止在某一位置上。 当预混气体流量很小时

19、、使得出口断面上的流动 速度总是小于火焰传播速度时，火焰就会向管内 传播，造成回火。 若流速过高，则会造成吹灭。 可燃气体和空气混合物在293K及1个大气压下 的火焰前沿移动的正常速度值 2 2. .燃气的物理和热力学性质燃气的物理和热力学性质 2.1 2.1 燃气的组成表示方法和密度燃气的组成表示方法和密度 混合气体的组分有三种表示方法：容积成分yi, 质 量成分gi, 和分子成分mi。 2.1.1燃燃气气的的组组成表示方法成表示方法 容容积积成分是指各成分是指各组组分的分容分的分容积与积与混合混合气气 体的体的总总容容积积之比，即之比，即yi=Vi/V； 质质量成分是指各量成分是指各组组分

20、的分的质质量量与与混合混合 气气体的体的总质总质量之比，即量之比，即gi=Gi/G； 分子成分是指各组分的摩尔数与混合气体的摩 尔数之比。由于同温同压下，1mol任何气体的容 积大致相等，因此分子成分在数值上近似等于其 容积成分。 2.1.2 平均分子量平均分子量 燃气是多组分的混合物，不能用一个分子式来燃气是多组分的混合物，不能用一个分子式来 表示。通常将燃气的总质量与燃气的摩尔数之比表示。通常将燃气的总质量与燃气的摩尔数之比 称为燃气的平均分子量。称为燃气的平均分子量。 式中，式中，M-平均分子量，平均分子量，Mi-组组分分气气体分子量，体分子量，yi-组组分分气气 体容体容积积成分。成分

21、。 ).( 100 1 2211nnM yMyMyM 燃气的平均分子量可按下式计算，即：燃气的平均分子量可按下式计算，即： 2.1.2 平均密度和相平均密度和相对对密度密度 单单位体位体积积的燃的燃气气所具有的所具有的质质量量称为称为燃燃气气 的平均密度。平均密度的的平均密度。平均密度的单单位位为为kg/m3。燃。燃气气的的 平均密度平均密度为为： i i y 100 1 在在标标准准状态状态下，燃下，燃气气的密度的密度与与干燥空干燥空气气密度的密度的 比比值称为值称为相相对对密度，用符密度，用符号号S表示。表示。 293. 1 S 【例1-1】已知干燃气的容积成分是甲烷27 %，一氧化碳6%

22、，氢气56%，二氧化碳3%， 氧气1%，氮气5%，CmHn为2%。求混合 气体平均分子量、平均密度和相对密度。 如含湿量为0.002kg/m3干燃气，求湿燃气 的容积成分及其平均密度。 0238.11 )081.4220134.2859988.3110098.44 3016. 2560104.286043.1627( 100 1 ).( 100 1 2211 nnM yMyMyM 解：解：1.求混合气体的平均分子量：求混合气体的平均分子量： 2.2.求混合气体的平均密度：求混合气体的平均密度： 3 /4921. 0 4 .22 0238.11 4 .22100 1 mkg M y i i 38

23、1. 0 293. 1 4921. 0 293. 1 S 3.3.求混合气体的相对密度：求混合气体的相对密度： d kkyy i w i 833. 0 833. 0 , 4.4.求湿燃气的容积成分：求湿燃气的容积成分： （注：注：d-水蒸水蒸气气含量（含量（kg/m3干燃干燃气气） 首先确定首先确定换换算系算系数数： 9976. 0 002. 0833. 0 833. 0 833. 0 833. 0 d k 依次求得依次求得湿湿燃燃气组气组分的容分的容积积成分：成分： %.986. 5%69976. 0 %;935.26%279976. 0 22 11 kyy kyy w w 5.求求湿湿燃燃

24、气气的平均密度：的平均密度： 3 /494. 0 )002. 04924. 0(9976. 0 833. 0 833. 0 )( mkg d d w 一、临界参数 混合气体的平均临界压力和平均临界温度为： 2.1 燃燃气气的物理的物理与热与热力力学学性性质质 2.1.1 临临界界参数参数及及实际气实际气体体状态状态方程方程 （注：（注：Pci-各各组组分的分的临临界界压压力，力，MPa; Tci-各各组组分分 的的临临界界温温度）度） ciicm ciicm TyT pyp 100 1 100 1 . . 二、实际气体状态方程二、实际气体状态方程 当压力低于1MPa,温度在10-20之间时，燃

25、气在 实际工程中可以看成理想气体。对高压气体，引 入压缩因子Z，得到实际气体状态方程： ZnRTp 压缩系数Z是一个无因次系数。根据对应状态理 论，在相同的对应状态下的气体，对理想气体状 态方程式的偏差相同，即具有相等的Z值。 Z是由Tr、Pr查两参数压缩因子图得到。 Tr = T / TC ； Pr = P / PC；Z=yizi 式中：式中：Tc气气体的体的临临界界温温度，度，Pc气气体的体的临临界界压压 力；力；T气气体的体的绝对温绝对温度，度，P气气体的体的绝对压绝对压力。力。 气气体的体的压缩压缩因子因子Z Z与对与对比比温温度度TrTr、对对比比压压力力PrPr的的关关系系 当当P

26、r Pr 1 1， Tr=0.6Tr=0.61.01.0 当当Pr Pr 5.65.6， Tr=1.0Tr=1.02.02.0 压缩因子图压缩因子图 适用范围：特别适用于以烃为主要组成的任何一种天然气，但 当天然气中含有较多非烃组成时，则必须进行非烃效正。 附：Redlich-Kwong方程： )( 5 . 0 bVVT a bV RT p mmm RK方程是继著名的范德华方程之后发表的最为广泛使 用的二参数状态方程，适用于烃类、氮、氢等非极性气 体时精度较高，对氨气、水蒸气等极性较强的气体，则 精度较差。 一、比热 含义：单位质量燃气升高1吸收的热量。 )001. 01 ( 403. 0 t

27、 S C yCC ii 比热计算式: 注：第二式是天然注：第二式是天然气气在常在常压压下的比下的比热计热计算式；算式； S-相相对对密度密度，t-温度温度。 2.1.2 基本物理量基本物理量 二、粘度 混合气体的动力粘度可以近似按下式计算，即： 注：注：-混合混合气气体在体在0时时的的动动力粘度（力粘度（Pa.S）；）； i-组组分分气气体在体在0时时的的动动力粘度（力粘度（Pa.S）； gi-各各组组分的分的质质量成分（量成分（%）。）。 n n n ggg ggg . . 2 2 1 1 21 在在绝对压绝对压力小于力小于1MPa的情的情况况下，下，压压力的力的变变化化对对粘粘 度的影度的

28、影响较响较小。小。温温度的影度的影响响，却不允，却不允许许忽略忽略。t 时时混合混合气气体的体的动动力粘度力粘度为为： 2 3 ) 273 ( 273T CT C t 注：注：t-t时时混合混合气气体的体的动动力粘度（力粘度（Pa.S）；）； T- 混合混合气气体的体的热热力力学温学温度；度；C-混合混合气气体的无因次体的无因次实实 验验系系数数，可用混合法，可用混合法则则求得。求得。单单一一气气体的体的C值值由由 表表1-4、1-5可以可以查查到。到。 若已知天然气的平均分子量M或相对密度S，欲求 某一压力P和温度T状态下的粘度，可由0.1Mpa下 的粘度再根据所给状态算出对比压力Pr， 由

29、图查 得粘度比/1，则所求粘度为 ： = 1 1 注：注：-压压力力P和和温温度度T状态状态下的下的动动力粘度；力粘度；1-0. 1Mpa、t时时混合混合气气体的体的动动力粘度（力粘度（Pa.S）。）。 由密度和相对密度计算天然气的粘度：由密度和相对密度计算天然气的粘度： y xC) 1000 (exp T Sx 6 .1063 2781. 057. 2 xy04. 011. 1 根据天然气所处压力、温度条件下的密度和标准根据天然气所处压力、温度条件下的密度和标准 状态下的相对密度状态下的相对密度S，可按下式计算天然气粘度：，可按下式计算天然气粘度： 4 5 . 1 10 8 . 158.37

30、74 .122 )1844. 077. 7(415. 2 TS TS C 注：注： T-温度温度, ,K； S-相对密度；相对密度； - -标准状态标准状态 下密度，下密度，kg/ m3 3。 一、饱和蒸气压与温度的关系一、饱和蒸气压与温度的关系 含义：液态烃的饱和蒸汽压，简称蒸汽压，就是 在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。 2.1.3 饱饱和蒸和蒸气压气压及相平衡常及相平衡常数数 蒸汽压与密闭容器的大小及液量无关，仅取决 于温度。 温度升高时，蒸汽压增大。 根据道尔顿定律，混合液的蒸汽压等于各组分蒸汽 分压之和。 i PP 注：P-混合液体的蒸气压（P

31、a）;Pi-组分液体的蒸气 分压（Pa）。 二、混合液体的蒸汽压二、混合液体的蒸汽压 根据拉乌尔定律，在一定温度下，当液体与蒸汽处 于平衡状态时，混合液体上方各组分的蒸汽分压等 于此纯组分在该温度下的蒸汽压乘以混合液体中的 分子成分，即： iii PxP iii PxPP i PP 注：注：xi-混合液体中混合液体中该组该组分的分子成分（分的分子成分（%）；）； pi -该组该组分在同分在同温温度下的蒸汽度下的蒸汽压压（Pa）。）。 【例例】：如果容器中为丙烷和丁烷所组成的液化石油：如果容器中为丙烷和丁烷所组成的液化石油 气，当温度一定时，其蒸汽压取决于丙烷和丁烷含量气，当温度一定时，其蒸汽压

32、取决于丙烷和丁烷含量 的比例。的比例。 丁丁丙丙 pxpxPP i l当温度一定时，p丙、 p丁不变； lp丙p丁； l丙烷的分子含量越 高，液化石油气的蒸 汽压越高。 当使用容器中的液化石油气时，总是先 蒸发出较多的丙烷，而剩余的液体中的丙烷 的含量渐渐减少，所以温度虽然不变，容器 中的蒸汽压也会逐渐下降。 15时容器中不同剩余量气相组成和液相组成的变化情况。 （a a）气气相相组组成的成的变变化化 （b b）液相）液相组组成的成的变变化化 三、相平衡常数三、相平衡常数 l 当混合液体与其蒸汽处于平衡状态时，各组分的 蒸汽压为: iii pxp l 根据混合气体分压定律，各组分的蒸汽分压为:

33、 pyp ii i i ii k x y p p l 由上两式得到: 注：ki-相平衡常数； p-混合液体的蒸汽压； pi-混合液体任一组 分饱和蒸汽压； yi-该组分在气相中的 分子成分（%）； xi-该组分在液相中的 分子成分（%）。 相平衡常数表示：相平衡常数表示： 在一定温度和压力下，汽液两相达到平衡状态时： l 某一组分在该温度下的饱和蒸汽压pi与混合液 体蒸汽压p的比值是一个常数ki； l 气相中某一组分的分子成分yi与其液相中的分子 成分xi的比值是一个常数ki。 【例】：利用相平衡常数来计算液化石 油气的气相组成或液相组成。 步骤：步骤： 确定系统的压力或者相平衡常数 计算气相

34、组成或液相组成 【例1-5】 已知液化石油气由丙烷C3H8 、正丁烷nC4H10和异丁烷iC4H10组成， 其液相分子组成为xC3H8=70%, xnC4H1 0=20%, xiC4H10=10%, 求温度为20时系 统的压力和达到平衡状态时的气相分子 组成。 解：运用道尔顿和拉乌尔定律，得到系统的 压力为： )(1067. 0 3115. 01 . 02348. 02 . 0846. 07 . 0 6 a iii p pxpp 达到平衡状态时，气相分子组成为： .88. 0 67. 0 846. 07 . 0 8383 83 p px y HCHC HC l下面利用平衡常数k计算： 当温度为

35、20时，连接3、温度为20的点交基线 于A。又因为丙烷的蒸汽压为0.846，连接A和蒸汽 压为0.846的点，得到丙烷的相平衡常数为kC3H8=1. 26, 则20时丙烷的气相分子成分为： 88. 070. 026. 1 838383 HCHCHC xky 依此类推. 一、绝对湿度一、绝对湿度 绝对湿度：单位体积天然气所含水汽重量， 单位为mg/m3，用E表示。 2.1.4 天然天然气气的含水量和露点的含水量和露点 二、相对湿度二、相对湿度 在一定温度和压力下，天然气的含水量如达到 饱和，则这个饱和时的含水量称为饱和湿度。相 对湿度是指天然气的绝对湿度与饱和湿度之比。 三、水露点 水露点：是指

36、在一定 压力下的天然气中，水蒸 气开始冷凝结露的温度。 【例】：露点的直接计算(工程中，液化石油 气的储存和输送压力在0.1-0.3MPa的范围内 ，有必要对他们进行露点计算) 计计算公式算公式： ) 1(55 i i d a y cpt 式中，td-气态液化石油气的露点（）；p-气 态液化石油气的压力（MPa）；c-液化石油气-空 气混合气中液化石油气组分的容积成分，对气态液 化石油气c=1.0；yi-液化石油气各组分的容积成分； ai-液化石油气各组分的特性系数，见表1-11。 一、地层体积系数一、地层体积系数： 是指1标准立方米的天然气在地层中所占据的 体积，即在地层中的气体体积与它在标

37、准状态下 的体积之比。 2.1.5 容容积积膨膨胀胀系系数数（体（体胀胀系系数数） 二、容积膨胀系数二、容积膨胀系数 容积膨胀系数是地层体积系数的倒数。一些液 态碳氢化合物的容积膨胀系数见表1-14。 表表1-14 一些液态碳氢化合物的容积膨胀系数一些液态碳氢化合物的容积膨胀系数 三、液态碳氢化合物的容积膨胀系数三、液态碳氢化合物的容积膨胀系数 液态碳氢化合物的容积膨胀系数可按下式计算： 对于单一液体， )(1 1212 ttvv 式中，v1-温度为t1（）时的液体体积；v2- 温度为t2（）时的液体体积；-t1至t2（） 温度范围内的容积膨胀系数平均值。 对于混合液体， 式中，v2-温度为t

38、2（）时混合液体的体积； v1-温度为t1（）时混合液体的体积；xi-温 度为t1（）时混合液体各组分的容积成分；i- 各组分在t1至t2（）温度范围内的容积膨胀系数 平均值。 )(1 12 1 2 ttxvv ii 可燃性气体和空气的混合物遇明火而引起爆炸时 的可燃气体浓度范围称为爆炸极限。 2.1.6 爆炸爆炸极极限限 在混合物中，可燃气体的含量减少到不能形 成爆炸混合物时的含量，此含量称为可燃气体 的爆炸下限； 可燃气体的含量增加到不能形成爆炸混合物 时的含量，此含量称为可燃气体的爆炸上限。 常用可燃气体爆炸极限常用可燃气体爆炸极限 物质名称物质名称 分子式分子式 在空气中的爆炸极限在空

39、气中的爆炸极限 (V%)毒毒 性性 下限 LEL上限 UEL 甲烷 CH4515 乙烷 C2H6315.5 丙烷 C3H82.19.5 丁烷 C4H101.98.5 戊烷（液体） C5H121.47.8 己烷（液体） C6H141.17.5 庚烷（液体） CH3(CH2)5CH31.16.7 辛烷（液体） C8H1816.5 乙烯 C2H42.736 常用可燃气体爆炸极限常用可燃气体爆炸极限 物质名称物质名称 分子式分子式 在空气中的爆炸极限在空气中的爆炸极限 (V%)毒毒 性性 下限 LEL上限 UEL 丙烯 C3H6211.1 丁烯 C4H81.610 丁二烯 C4H6212低毒 乙炔 C

40、3H42.372.3 环丙烷 C3H62.410.4 煤油（液体） C10-C160.65 城市煤气 4 液化石油气 112 汽油（液体） C4-C121.15.9 松节油（液体）C10H160.8 一、只含有可燃气体的混合气体的爆炸极限一、只含有可燃气体的混合气体的爆炸极限 按Le Chatelier法则计算： 式中，L-混合气体的爆炸下（上）限（体积%）；L1、 L2、.Ln-混合气体中各可燃气体的爆炸下（上）限 （体积%）；y1、y2、.yn-混合气体中各可燃气体的 容积成分（体积%）。 n n L y L y L y L . 100 2 2 1 1 一、只含有可燃气体的混合气体的爆炸极

41、限一、只含有可燃气体的混合气体的爆炸极限 按Le Chatelier法则计算： 式中，L-混合气体的爆炸下（上）限（体积%）；L1、 L2、.Ln-混合气体中各可燃气体的爆炸下（上）限 （体积%）；y1、y2、.yn-混合气体中各可燃气体的 容积成分（体积%）。 n n L y L y L y L . 100 2 2 1 1 二、含有惰性气体的混合气体的爆炸极限二、含有惰性气体的混合气体的爆炸极限 当混合气体中含有惰性气体时，可将某一惰性 气体成分与某一可燃气体成分组合起来视为混合气 体的一种成分，其容积成分为两者之和，爆炸极限 可由图1-12、图1-13查得。再按下式计算这种燃气 的爆炸极限

42、，即： ).().( 100 2 2 1 1 2 2 1 1 n n n n L y L y L y L y L y L y L 式中，L-含有惰性气体的混合气体的爆炸下（ 上）限（体积%）； L1、L2、.Ln-由某一可燃气体成 分与某一惰性气体成分组成的混合气体中的 爆炸下（上）限（体积%）； y1、y2、.yn-由某一可燃气体成分 与某一惰性气体成分组成的混合气体的容积 成分（体积%）； L1、L2、.Ln-未与惰性气体组合的可 燃气体的爆炸下（上）限（体积%）； y1、y2、.yn-未与惰性气体组合的可燃 气体的容积成分（体积%）。 l随着惰性气体含量的增加，混合气体的爆 炸极限范围将

43、缩小。对于含有惰性气体的 混合气体，也可以采用公式修正法计算爆 炸极限，即： N N c N N c y y L y y LL 100 100 ) 100 1 (100 式中，L-含有惰性气体的混合气体的爆炸下 （上）限（体积%）；Lc-该燃气的可燃基的爆 炸下（上）限（体积%）；yN-含有惰性气体的 燃气中，惰性气体的容积成分（体积%）。 三、含有氧气的混合气体爆炸极限三、含有氧气的混合气体爆炸极限 当混合气体中含有氧时，则可认为混入了空 气。对于这种含有氧气的混合气体，应先扣除氧含 量以及按空气的氧氮比例求得的氮含量，并重新调 整混合气体中各组分的容积成分得到该混合气体的 无空气基组成，再

44、按下式计算混合气体的爆炸极限 ：，即： Air nA T y L L 100 式中， LT-包含有空气的混合气体的爆炸极限（%）； LnA-该混合气体的无空气基爆炸极限（%）； yAir-空气在该混合气体中的容积成分（%）。 解：将组分中的惰性气体按照图1-12与可燃气体 进行组合，即： %6 .18%2 . 6%4 .12 22 COH yy 5 . 0 4 .12 2 . 6 可燃气体 惰性气体 ，由图1-12查得该组分的爆炸 极限为6.0%70%； ，由图1-12查得该组分的爆炸 极限为40.0%73.5%。 %7 .80%4 .53%3 .27 2 NCO yy 96. 1 3 .24

45、 4 .53 可燃气体 惰性气体 而未与惰性气体组合的甲烷的爆炸极限为5.0 %15%。因此，发生炉煤气的爆炸极限为： %19 0 . 5 7 . 0 40 7 .80 0 . 6 6 .18 100 LEL L %71 0 .15 7 . 0 5 .73 7 .80 70 6 .18 100 UEL L 3.3.天然气的燃烧性质天然气的燃烧性质 决定天然气燃烧状态的主要参数有以下三个： 一、韦伯值（Wobbe Number） 韦伯值是气态燃料燃烧和使用过程中一项重要 的参数，它等于气体热值和比重的平方根的比值。 韦伯值表示一定压力的气体输给燃烧器具的热量 ； 韦伯值也粗略表示气体燃料燃烧需要

46、的空气量。 二、气体模数（二、气体模数（Gas Modulus） 式中：P气体压力；W韦伯值。 WPM/ l对于供风燃烧器，气体模数不变则表示达到 了给定程度的预混气； l影响气体燃料燃烧状况的基本性质是韦伯值 和火焰传播速度，对于供风燃烧器，还决定于 气体模数M，为使M值保持不变，则燃料气压 力必须正比于韦伯值的平方变化。 三、魏沃火焰速度因子（三、魏沃火焰速度因子（Weaver flame-speed facto） 魏沃火焰速度因子S表示燃烧时火焰的传播速度 ，一般假定氦气的魏沃火焰速度因子等于100， 其它气体燃料的S值是根据实验，并与氦气比较 而定。 按以上三个参数，气体燃料大致可以分

47、为三 类： 热值为42005200千卡/标米3，魏沃 火焰速度因子为3245的燃料气体为高火 焰传播速度燃料气； 热值为800010000千卡/标米3，魏沃火焰速度 速度因子为1325，则为低火焰传播速度燃料 气； 介于上两种气体之间的为中间气体类型。 煤或某些油品生产的城市煤气属于高火焰传 播速度燃料气，天然气属于低火焰传播速度 的燃料气，其火焰速度因子约为1316。 l 天然气的主要成分是甲烷，甲烷在空气中可燃性 极限范围很窄，因此，在燃烧过程中对缺氧很敏 感，同时也减少了回火的危险性； l 甲烷的最大燃烧速度比较小，大约只有33.8厘米/ 秒。惰性气体的存在对天然气的燃烧速度影响不 大；

48、 l 韦伯值较高。甲烷的约为12000千卡/标米3； l 辐射系数低； l 碳氢比低。在一定温度下由烟囱排放的尾气中的 热量损失比其它燃料高。 作为燃料，天然气有以下特点：作为燃料，天然气有以下特点： 结结 论论 l 天然气燃烧速度较慢，火焰有时会离开燃 烧器的喷出口，比较容易熄灭； l在设计天然气燃烧器时，可使用“小的保 留火焰”来稳定天然气火焰，即使小量的 天然气在低速下由单独喷孔喷出，其速度 低到足以同天然气燃烧速度达到平衡。 实践证明：实践证明：保留火焰能很好地稳定主火焰， 防止了主火焰熄灭。 天然气的火焰速度有两个限界流速值：天然气的火焰速度有两个限界流速值： 下限值：发生回火现象时

49、燃烧器出口气体 流速； 上限值，发生火焰离开燃烧器出口时燃烧 器出口气体流速。 结结 论论 l 天然气的限界流速值最低，约为0.048千卡/秒 厘米2； l 其次为丙烷和丁烷，约为0.06千卡/秒厘米2； l 热值为4180千卡/标米3的城市煤气约为0.134千卡 /秒厘米2。 实践证明：实践证明：天然气燃烧速度较慢，所以较不易发 生回火现象。 结结 论论 l 限界流速的上限值决定于燃烧器流出口直径， 燃料气体的类型及一次供风与理论空气需要量的 比值A； l 限界流速上限值与比值A的关系曲线近似为一抛 物线，当比值A达到0.880.98时，限界流速上 限值达到最高点； l 天然气限界流速上限值

50、比城市煤气上限值低，受 A的影响很小。 实践证明：实践证明：从燃烧角度看，天然气既不同于固体和 液体燃料，也不同于其它气体燃料，必须根据其 特点设计燃烧器。 4.4.天然气水合物天然气水合物 一、水化物及其生成条件 如果碳氢化合物中的水分超过一定含量，在一 定的温度压力条件下，水能与液相和气相的C1、C 2、C3和C4生成结晶水化物CmHn.xH2O。 l对于甲烷，x=67；对于乙烷，x=6；对 于丙烷及异丁烷，x=17； l水化物在聚集状态下是白色的结晶体， 或带铁锈色； l在深海和永久冻土层下存在大量的甲烷 水化物（天然气水合物），具有潜在的 开发价值，应列入能源资源。 l天然气水化物也叫

51、水合物，它是由非极 性或弱极性气体分子与接近冰点的水接 触，水分子靠氢键作用将气体分子包络 其中形成的。水合物具有多面体笼性结 构，根据笼性结构的不同，分为型、 型和型。 气体水合物的类型 晶体类型水分子数 晶穴种类 晶穴数 晶穴结构 I型46 小 大 2 6 512 51262 II型136 小 大 16 8 512 51264 H型34 小 中 大 3 2 1 512 435663 51268 l 构成水合物的分子主要有：水分子、甲烷、乙烷、 二氧化碳等弱极性分子； l 天然气水合物有个最高临界温度，超过此温，再大 压力也无法使水化物生成； l 图1-14给出甲烷及其他烷烃形成水化物的压力

52、、温 度范围。其中，点C是水化物存在的临界温度； l 甲烷形成水化物的最高临界温度是21.5、乙烷是1 4.5、丙烷是5.5、正丁烷1、异丁烷2.5； l 天然气形成水合物的可能性最大。而其他燃气，即 使含有较多水分，生成水化物的可能性不大。 高压输送天然气并且管道中含有足够水分时 ，会遇到生成水化物的问题。水合物的形 成条件归纳如下： 1、含过饱和水汽或液体水； 2、足够低温度，足够高压力； 3、压力波动，气流突变和晶种存在。 二、天然气水合物形成条件预测二、天然气水合物形成条件预测 天然气水化物形成条件计算常用的有经验图解法 （相对密度法）、相平衡常数法（Katz法）、统 计热力学法。 （

53、1）经验图解法 该法使用书P26图2-15曲线，根据天然气相 对密度预测天然气水合物形成的大致温度、 压力条件，对含较多H2S的天然气计算误差较 大。 【例】：求比重为0.62的天然气在10时最 低形成水合物压力是多少？ 解：比重0.6的天然气可直接查出其10形成天 然气水合物的最低压力为3300kPa， 比重0.7时为2280kPa，则比重为0.62的天然 气水合物最低形成压力可按下式计算： 内插公式： y=y1+（y2-y1）/（x2-x1）（x-x1） 则：P=P1+(P2P1)/(S2S1)(SS1) =3300-(3300-2280)/(0.7-0.6)(0.62-0.6) =310

54、0kPa (2)(2)平衡常数法平衡常数法 (Katz (Katz法法) ) 1、原理 Ki = yi / xi xi = yi / Ki 注：Ki-气固平衡常数 因各相中各组分摩尔分数之和应恒等于1， 即有: 1/ ii ky 2、计算步骤 A. 先假设在给定温度T下水合物形成压力为P1，再 由各组分气固平衡常数图求出各组分的Ki，算出Xi， 并求（Xi）1。若（Xi）1 =1则假定水合物形成压力 P1即为所求; B.若计算出（Xi）1 1则另设一压力P2求出相 应（Xi）2，若第二次计算的（Xi）2 1则可由内 插法求出给定温度T下生成水合物的最低形成压力P。 三、天然气水合物的防止措施三

55、、天然气水合物的防止措施 水合物是不稳定的结合物，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 采取措施防止水合物的形成。具体如下： l在给定温度、组分的天然气，降压至最低 形成压力以下； l在给定压力、组分的天然气，保持温度在 水合物形成温度以上。 l降低天然气湿度、水露点，即脱水； l加入水合物抑制剂如CaCl2、乙二醇等。 5.5.城镇燃气的质量要求城镇燃气的质量要求 一、城镇燃气的基本要求 作为城镇燃气气源，首先应满足一下要求： l热值高。燃气的热值过低，输配系统的投资和金 属耗量就会增加。只有在特殊情况下，才允许低热 值的燃气作为城镇气源； l 毒性下，为了防止燃气

56、泄露引起中毒，确保 用气安全，城镇燃气中的CO、H2S等有毒成 分的含量必须控制； l 杂质少，杂质会引起设备故障、管道堵塞等 等，影响正常使用，甚至造成事故。 二、燃气中 的杂质和有 害物的影响 液态烃易引起液态烃易引起 管道堵塞，降管道堵塞，降 低管道输送效低管道输送效 率率 安全性安全性 管道中的游离水管道中的游离水 造成管道腐造成管道腐蚀蚀 卫卫生生 硫化硫化氢氢是是严严重的腐重的腐 蚀蚀介介质质，对对人体人体剧剧 毒毒 环环保保 CO2的含量小于的含量小于3% 三、城镇燃气的质量标准 （GB178201999)技术指标与行业分类标准对燃气 提出了下列要求： 城镇燃气（天然气）质量指标

57、城镇燃气（天然气）质量指标 符合（GB178201999)一类气或二类气的规定。 在天然气交接点的压力和温度条件下： a) 天然气的烃露点应比最低环境温度低5； b) 天然气中不应有固态、液态或胶状物质。 应具有可以察觉的臭味。 项目项目杂质限量杂质限量项项 目目杂质限量杂质限量 焦油和灰尘焦油和灰尘(m g/m3) 10萘萘(mg/m3) 50/P105( 冬季冬季) 100/P105(夏夏 季季) 硫化氢硫化氢(mg/m3 ) 20 含氧量含氧量(体积体积% ) 1 氨氨(mg/m3)50 一氧化碳一氧化碳(体体 积积%) 10 人工燃气： 液化石油气质量标准液化石油气质量标准 项目项目

58、质量标准质量标准 试验方试验方 法法 商品商品商品商品商品丙商品丙-丁烷混合物丁烷混合物 丙烷丙烷丁烷丁烷通用通用冬用冬用夏用夏用 组分组分(%) SY 208I C2及及C2以下不高于以下不高于 5.03.0 C4及及C4以上不高于以上不高于2.5 C5及及C5以上不高于以上不高于 2.02.03.05.0 37.8时蒸气压时蒸气压(表压表压)( kPa)不高于不高于 1430480143013601360GB 6602 残留物，蒸发残留物，蒸发100mL的的 最大残留物量最大残留物量(mL) 0.05Y7509 腐蚀，铜片腐蚀等级，腐蚀，铜片腐蚀等级， 不高于不高于 1111ST 2083

59、 硫分硫分(mg/m3)，不高于，不高于340340340340340SY 7508 游离水游离水无无无无无无无无目测目测(注注) 四、燃气的加臭四、燃气的加臭 1. 含加臭含加臭剂剂量的量的标标准准 l对对于有毒燃于有毒燃气气，如果泄漏到空，如果泄漏到空气气中，要求在中，要求在达达到到对对 人体有害的人体有害的浓浓度之前，嗅度之前，嗅觉觉正常的人正常的人应应能察能察觉觉； l对对于无毒燃于无毒燃气气，如果泄漏到空，如果泄漏到空气气中，在中，在达达到其爆炸到其爆炸 下限的下限的20%浓浓度度时时，嗅，嗅觉觉正常的人正常的人应应能察能察觉觉； l当当短期利用加臭短期利用加臭剂寻剂寻找地下管道的漏

60、找地下管道的漏气气点点时时，加臭，加臭 剂剂的加入的加入剂剂量可以增加至正常使用量的量可以增加至正常使用量的10倍；倍； l新管新管线线投入使用的最初投入使用的最初阶阶段，加臭段，加臭剂剂的加入的加入剂剂量量应应 比正常使用量高比正常使用量高23倍，直到管壁倍，直到管壁铁锈铁锈和沉和沉积积物等被物等被 加臭加臭剂饱剂饱和。和。 2. 加臭加臭剂剂的特性的特性 l在正常使用在正常使用浓浓度范度范围内围内，加臭，加臭剂剂不不应对应对人体、管道或人体、管道或与与 其接其接触触的材料有害；的材料有害； l应具有持久、难闻且与一般常见气味有明显区别的特殊 臭味； l有适当的挥发性； l能完全燃烧，燃烧产