第三章 气体燃料

可燃气体，蒸气或粉尘在空气中的浓度低 于爆炸下限时，遇明火既不会爆炸，也不 会燃烧。
若高于爆炸上限时，遇明火虽然不会爆炸， 但是可以燃烧。
有时经过燃烧一段时间后，因吸入空气， 使可燃气体或蒸气在空气中的浓度下降， 达到爆炸极限于是发生爆炸。
普通燃烧特性
温度 F(C)
2200
(1204)
缓慢 反应 w/o点 火源
发生炉煤气 天然气
将固体燃料在煤气发生炉中进行气化而 得到的人造气体燃料
优质气体燃料，产地在石油产区或为单 纯的天然气田
气体燃料的成分
转炉煤气 主要可燃成分为CO，含量在45%-65%
高炉煤气 主要可燃成分为CO，25%-31%，还含有大量的N2和 CO2，占63%-70%
焦炉煤气 可燃成分为H2，46%-61%；CH4，21%-30%，CO， 5%-8%
气体燃料的作用
转炉煤气
转炉烟气的处理方式有燃烧法与来自百度文库燃法两种
燃烧法即炉气冲出炉口进入烟罩后，令其与足
够的空气混合，使烟气中可燃成分完全燃烧，形
成大量的高温废气，再经冷却、净化，通过风机
抽引排放于大气之中。 废气
废热锅炉
未燃法是炉气冲出炉口进入烟罩，通过控制使烟 气中可燃成分尽量不燃烧，再经冷却、净化后， 由风机抽引送入回收系统贮存加以利用。
无传播
在任意浓度瞬时点燃 未点火爆燃
自引燃温度
点火引燃
容量
环境温度
爆燃低限点
% 浓度
爆燃高限点
甲烷（CH4）
无色气体，微有葱臭 分子量取16 与空气混合可引起强烈爆炸，爆炸浓度范
围2.5~15% 着火温度530~750℃ 临界温度：-82.5 ℃ 在空气中浓度较高时才有毒性 低发热量：35740kJ/m3
气体燃料的湿成分
CO湿+H2湿+CH4湿+……+CO2湿+N2湿+O2湿+H2O湿 =100 其中：CO湿、 H2湿-100m3燃料中该成分的含量
气体燃料的干成分
CO干+H2干+CH4干+……+CO2干+N2干+O2干=100 其中： CO干、 H2干-100m3干燃料中该成分的含量
气体燃料中所含的水分在常温下等于该温度下 的饱和水蒸气量
混合气体的发热量 Q混=X1Q1+X2Q2 X1+X2=1
具体气体燃料学习要点
来源 作用 成分 发热量★
气体燃料来源
转炉煤气 高炉煤气 焦炉煤气
转炉炼钢过程的副产品，每吨钢约产气 90m3
高炉炼铁过程得到的副产品，高炉的燃 料的热量约有60%转移到高炉煤气中
炼焦生产的副产品，也称为荒焦炉煤气
燃料与燃烧学
气体燃料
主要内容
单一气体的主要性质 煤气成分的表示方法及发热量计算 高炉煤气 焦炉煤气 发生炉煤气 天然气 转炉气
分类
冶金炉及工业炉窑所用的气体燃料：
高炉煤气 (B Gas) 焦炉煤气 (COG---coke-oven gas) 转炉煤气 发生炉煤气 天然气
发生炉煤气空气发生炉煤气：气化剂：空气。CO，20%-30%
H2，15%，N2，50%-60%
水煤气：气化剂：水蒸气。 CO,40%-45%H2,45%53%
天然气
混合发生炉煤气：气化剂：空气水蒸气。CO和H2含量变化 较大 甲烷以及乙烷等饱和碳氢化合物
气体燃料的发热量
转炉煤气 高炉煤气
不高，为6270-7530KJ/m3
0.01g/m3
腐蚀性气体
NH3 H2S CO2 HCN O2
在水中呈碱性 在水中呈酸性 在水中呈酸性 在水中呈酸性 在水中具有氧化性腐蚀
毒性气体
H2S HCN SO2 CO NH3 C6H6
2、工厂储存有Wy=12.4，QDWy=20000kJ/kg 煤100t，存放时间长，含水量降低为Wy=7.0， 试问煤的质量变为多少， QDWy变为多少？
不高，3762~4180KJ/m3 理论燃烧温度：1400~1500℃
焦炉煤气
很高，15890~17140KJ/m3 多与高炉煤气或发生炉煤气混合使用
发生炉煤气 天然气
空气发生炉煤气：3780-4620KJ/m3 水煤气：10080-11340KJ/m3，高热值煤气 混合发生炉煤气：5040-6720KJ/m3 热值最高，33440~41800KJ/m3
届职工运动会开幕前，由200名小学生组 成的氢气球方队在体育场入口处发生气球 爆燃事故，130人被不同程度地烧伤
一氧化碳（CO）
无色无臭气体 分子量28 空气中爆炸浓度范围12.5~80% 临界温度：-197℃ 低发热量：12630kJ/m3 着火温度610~658 ℃ 火焰为蓝色 CO有剧毒
天然气消费结构
100%
50%
0%
1990
1995
1998
2010
2020
其它 82.7% 民用 12.5% 发电 4.9%
84.3% 11.2% 4.6%
77.6% 11.9% 10.5%
41.3% 20.0% 38.7%
35.8% 22.0% 42.2%
气体燃料的作用
天然气的利用
工业燃料 民用燃料 化学工业燃料
乙烯（C2H4）
具有窒息性乙醚气味的无色气体，麻醉作 用
易爆炸，爆炸浓度范围2.75~35% 着火温度540~547℃ 临界温度：+9.5 ℃ 低发热量：58770kJ/m3 空气中浓度达到0.1%对人体有害
硫化氢(H2S)
无色气体，臭鸡蛋气味 易爆炸气体，爆炸浓度范围4.3~45.5% 着火温度：364 ℃ 低发热量：23074kJ/m3 易溶于水 极有毒气体，室内大气中最大允许浓度为
解：煤的质量变为：
G=100(1-12.4%)/(1-7%)=94.2 (t) 煤中的水分从12.4t减少到6.6t，减少了5.8t 煤全部燃烧后释放热量为100000×20000+ 2512×5800
=2014569600kJ 故：QDWy=2014569600/94200=21386kJ/kg
煤气成分的表示方法
查得，即为：
g
干 H2O
g
/
m3
所以得到1m3干气体中所吸收水蒸汽的体积
0.00124
g
干 H2O
m3
/
m3
1m3湿气体中所含水蒸汽的体积
发热量计算
气体燃料 KJ/m3 QG=126.2CO+127.5H2+397.1CH4+
693.9C2H6+627C2H4+255H2S+20.1H2O QD=126.2CO+107.8H2+357.4CH4+ 635.4C2H6+589.4C2H4+234.1H2S
气体燃料优点
①燃烧简便，容易完全燃烧； ②调节控制方便，易于实现自动控制； ③燃烧后无固体灰渣，清洁方便； ④对设备磨损小，可以长距离管道输送； ⑤容易净化，以减少环境污染； ⑥可以高温预热，提高燃烧温度，节约燃料； ⑦只要避开爆炸范围，可任意调节热负荷，控制炉
内气氛和压力。
气体燃料的可燃成分
混合成分中可燃气体成分
临界温度
用加压的方法能使气体液化的最高温度， 在临界温度以上，无论加多大压力，都不 能使气体液化
CO，H2，CH4，其他气态碳氢化合物，H2S
不可燃气体成分
CO2，N2，少量O2，水蒸气，焦油蒸气，粉 尘等固体颗粒
单一气体的物理化学性质
甲烷（CH4） 乙烷（C2H6） 氢气（H2） 一氧化碳（CO） 乙烯（C2H4） 硫化氢(H2S) 二氧化碳（CO2） 氧气（O2）
爆炸浓度极限
湿式净化系统是通过水冲洗烟气中的尘埃，冲洗 后的烟气得到净化，烟尘形成了泥浆，除去水分 加以利用。
干式净化系统可通过尘埃的重力沉降、离心、过 滤和静电等原理使气与尘分离，净化后的尘埃是 干粉颗粒，也可回收利用。
目前绝大多数顶吹转炉的烟气是采用未燃法、 湿式净化回收系统，称OG系统；有的也采用 未燃、干式净化回收系统，又称LT系统。
在使用时，为了提高火焰黑度，可向天然 气喷射重油或焦油等液体燃料，也可使碳 氢化合物分解，靠分解的游离碳来提高火 焰黑度
发生炉煤气
水煤气，可作为工业炉的高级燃料和化工原料， 一般不作为锅炉燃料使用
空气发生炉煤气：多用于工业加热炉，很少用 于动力锅炉
混合发生炉煤气：工业加热炉
重点内容
腐蚀性气体以及毒性气体性质 各种气体燃料的来源，成分以及发热量 气体燃料干湿成分转换 混合气体燃料发热量的计算
气体燃料的作用
天然气储存的方式
加压储存
油田气
冷冻储存
气田气
地下储存。
气体燃料的作用
天然气需求预测
1999年，我国天然气消费量为220亿m3， 2000年约250亿m3 。
预计2010年，800-1000亿m3 ，在能源 需求总量中占6%左右。
预计2020年，1800-2000亿m3 ，在能源 需求总量中占10%左右。
换算公式
气体燃料干湿成分换算关系
X湿% X干 % 100 H2O湿 100
H2O湿-100m3湿气体中所含水蒸气的体积 水蒸气湿成分关系式
H2O湿
100
1
0.00124g干H2O 0.00124g干H2O
1g水蒸气的体积是：
22.4103 0.00124 m3 / g 18
1m3干气体所吸收的水蒸汽的重量可由附录5
转炉煤气
烟气的成分
处理方式 CO
未燃法(煤气) 60-80
燃烧法(废气) 0-0.3
成分Φ/%
CO2 N2
O2
H2 CH4
14-19 5-10 0.4-0.6
7-14 74-80 11-20 0-0.4 0-0.2
烟气温 度/℃
15001600 18002400
气体燃料的作用
转炉煤气净化方式
烟尘的净化方式也有两种，即湿式净化与干式 净化
转炉气的利用
化学能利用
例如：在一定条件下得到甲酸钠，是一种染化 原料，而且也生产草酸和甲酸的基本原料
余热利用
转炉烟气温度高达1600℃，可以采用气化冷 却烟道回收
烟尘利用
烟尘中有近60%的铁经过回收烘干后可作为 精矿粉使用
气体燃料的作用
焦炉煤气
利用焦炉煤气发电 可节约煤发电时，长时间的运输费用 热值比较高，便于温度控制 燃气易完全燃烧，废气量少，相比煤炭没有固体废渣， 大气污染小
用焦炉煤气制取甲醇
甲醇是理想的民用燃料和燃料添加剂，是新一代能源 化工重要的有机起始原料
可以获得许多重要的化工产品，如焦油、苯、氨
气体燃料的作用
天然气
气田气：从地下气层中引出，甲烷含量高达 95%-98%，液化较难，常压下要冷冻到162℃才能液化，可使用管道运输
油田气：主要产于油田附近，甲烷含量为 75%-87%，油田气一般通过加压的方法使 其液化。
乙烷（C2H6）
无色无臭气体 分子量取30 爆炸浓度范围2.5~15% 着火温度510~630 ℃ 临界温度：-34.5 ℃ 低发热量：63670kJ/m3
氢气（H2）
无色无臭气体 空气中爆炸浓度范围4~80% 着火温度510~590℃ 临界温度：-239.9 ℃ 低发热量：10790kJ/m3（书上有错） 1990年，齐鲁石化公司胜利炼油厂第八
是燃气的重要性质之一，因为当燃气和空气（或 氧气）混合时，如果这两种气体达到一定比例时， 就会形成具有爆炸危险的混合气体。该气体与火 焰接触时，即形成爆炸。但是并非任何比例的燃 气——空气混合气体都会发生爆炸，只有在燃 气——空气混合气体中可燃气体的浓度在一定范 围时，气体才能发生爆炸，此范围是从爆炸下限 的某一最小值到爆炸上限的某一最大值。混合气 体的爆炸极限取决于组成气体的爆炸极限及其摩 尔分率。