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绪论能源与燃气一、能源的发展过程和趋势18世纪60年代起煤炭替代薪柴——能源结构的第一次大转变20世纪20年代起煤炭、石油、天然气——能源结构的第二次大转变本世纪前半期新能源——难以大规模利用,正是天然气为主的时期燃气——天然气（NG）、人工燃气（煤气）、液化石油气（LPG）、沼气等燃气优点：节能效益、环保效益和服务效益天然气储量已超过石油二、我国燃气的发展历程与现状历史悠久：468年四川天然气煮盐1865年上海人工煤气第一阶段：20世纪80年代前人工煤气第二阶段：20世纪80年代—90年代前期人工煤气、天然气、液化石油气等多种气源并存格局第三阶段：90年代后期天然气时代来临已建成：陕西→北京新疆→上海（西气东输，西部大开发的标志性工程）九省一市d=1016mm，P=10MPa120亿m3/年，投资1200亿元2002年开工，2004年8月全线完工，全长4000km我国天然气资源丰富：中、西部及近海地区在建：1.俄气南供2.进口液化天然气（LNG）东南亚、澳大利亚→广州3.近海天然气（1）南海气田→海南、广州、香港（2）东海气田→上海、浙江（3）渤海气田→天津、山东4.煤层气开发：中东部天然气资源的用途能源行业：发电、交通运输、工业、生活（取暖、热水、炊事）化工原料我国主要用与民用炊事，还用于燃气空调、汽车等第一章燃气的分类及性质第一节燃气的分类及用途燃气是易燃易爆的混合气体可燃成分：氢气（H2）、一氧化碳（CO）、低级碳氢化合物（烃类）饱和烃：甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、……、CmH2m+2不饱和烃：乙烯（C2H4）、丙烯（C3H6）、……、CmH2mCmHn或C1、C2、C3、……不可燃成分：CO2、N2、O2（单纯的O2是不可燃的）、水及少量杂质燃烧条件：可燃物、助燃物（氧）、温度快速燃烧就是爆炸燃气的分类1.天然气（NG）：主要是甲烷（开采方便，是优质气体燃料）按矿藏特点分类气田气——由气田开采出来的纯天然气凝析气田气——含有少量石油轻质馏分的天然气石油伴生气——与石油共存，伴随石油一起开采出来的天然气、油气分离甲烷含量80%~90%，低发热值（34.8~36MJ/N·m3）N·m3——标方气体分离：天然气、液化石油气、汽油、煤油等甲烷含量75%，低发热值（48MJ/N·m3）甲烷含量80%，低发热值（45MJ/N·m3）矿井气煤层气（煤田气）——煤形成过程中产生，在地质断层和褶皱地带附近“涌出”常会与空气混合引起爆炸矿井气（矿井瓦斯）——在开采煤的过程中，煤层气与矿井空间空气形成，抽吸出向城镇提供矿井气不抽出会引起瓦斯爆炸按组分分类干气——每一基方（sm3）井口流出物中C5以上重烃液体小于13.5cm3的天然气湿气——每一基方（sm3）井口流出物中C5以上重烃液体大于13.5cm3的天然气富气——C5以上大于94cm3/sm3贫气——C5以上小于94cm3/sm3酸性天然气——含有较多的H2S、CO2等酸性气体，要进行净化处理洁气——H2S、CO2等含量很少，基本不要进行净化处理2.人工燃气：以固体或液体可燃物为原料加工生产的气体燃料干馏煤气——煤隔绝空气加强热气化煤气——煤、焦炭在高温下与气化剂（空气、水蒸气、纯氧气等），通过化学反应得到油制气——以石油及副产品为原料，经过高温裂解制成的燃气煤→煤气石油及副产品→油制气气体——煤气液体——上：水下：煤焦油固体——焦炭城市最早的燃气气源（焦炉煤气），低发热值16.7MJ/N·m3热裂解法：加热至800~900℃，原料裂解成油制气催化剂法：加催化剂，使裂解的烃与水蒸气反应生成H2和CO（a）发生炉煤气：气化剂是空气和水蒸气，连续气化C+H2O（水蒸气）→CO+H2↑（高温下）C+O2（空气）→CO2（提供高温）低发热值5.4MJ/N·m3（b）水煤气：气化剂是水蒸气，间歇气化（交替吹入水蒸气和空气）低发热值10.5MJ/N·m3（c）压力气化煤气：高压（2~3MPa）条件下纯氧和水蒸气为气化剂CO+3H2→CH4+H2O（水蒸气）（高压下）含甲烷，接近干馏煤气，低发热值15.1MJ/N·m3（a）、（b）毒性大（CO）、热值低，只能掺混、调峰使用3.液化石油气（LPG）：石油开采、加工过程中的副产品分类天然石油气——从石油伴生气和凝析气田气中提取炼厂石油气主要是C3、C4混合物，常温常压下为气态，常温加压或常压降温变为液态，其体积缩小至气体的1/250，便于运输；气态低发热值最高，92.1~121.4MJ/N·m2，折成液态为45~46.1MJ/kg（a）油田气（b）凝析气田气油气分离原油石油伴生气吸收法天然气（C1、C2）天然汽油（C5~C11）液化石油气（C3、C4）分馏液气分离液态→气田凝析油气态吸收法天然气液化石油气（a）一次加工减压蒸馏（物理过程）原理：石油是烃的混合物，没有固定的沸点加热：C4以下气化（液化石油气）C5~C11气化（汽油）C11~C16气化（煤油）C15~C18气化（柴油）剩下C20（重油）（b）二次加工重油在催化剂作用下，加热裂解反应（化学过程），生成轻原油和非饱和烃（化工原料）（a）→饱和烃（物理），（b）→非饱和烃（化学）4.生物气（人工沼气）：环保洁净，在小范围内使用天然气是一次能源人工燃气、液化石油气、沼气是二次能源第二节城市燃气的质量要求一、城市燃气的基本要求1.热值高：大于14.7MJ/N·m３2.毒性小：人工煤气要慎重发展3.杂质少二、城市燃气的质量要求净化与回收的过程1.人工燃气及天然气中的主要杂质及允许含量指标（1）焦油与灰尘：小于10mg/N·m3（2）萘：低压管道夏天小于100mg/N·m3；冬天50mg/N·m3中压以上管道夏天小于1000mg/N·m3；冬天小于500mg/N·m3（3）硫化物：小于20mg/N·m3（4）氨：小于50mg/N·m3（5）一氧化碳：小于10%（6）氧化氮：常清扫（7）水:进入长输管线前必须脱水堵塞管道、设备，使阀门失灵清除方法：氨水喷洒以结晶状态析出堵塞管道、设备除焦油、萘的方法：用冷却水与煤气直接接触，回收焦油和萘H2S腐蚀管道，有毒气体，燃烧生成SO2有毒清除方法：湿法脱硫（填料是含氨的介质）干法脱硫（填料是氧化铸铁屑）干馏煤气含氨，具有两重性：1.对管道腐蚀，燃烧物有害2.中和硫化物等酸性物质脱氨过程：水洗（脱焦油、萘、氨的初洗）→脱硫→水洗（小于25℃）洗氨虽可燃，但有巨毒燃烧生成NO2有害，并与不饱和烃反应生成胶质，附着管道、设备在高压下与烃类生成水化物（CmHn·nH2O）堵塞管道用吸收法、掺空气法降低露点，露点要比外界环境最低温度低5~15℃对湿气要注意排水2.对液化石油气的质量要求（1）硫分：小于0.015~0.02%加氢脱硫，但生成H2S，用碱洗法、分子筛吸附法清除（2）水：脱水产生结晶水化物，堵塞管道（3）二烯烃：小于2%有很强的聚合作用，阻止气化（4）C2（乙烷、乙烯）：小于6%由于液化石油是按C3、C4比例组成（5）残液（C5及C5以上）：小于2%，常温下不能气化3.城市燃气的加臭臭味强度分为5级2级——臭味一般（报警线、安全浓度线）对CO，浓度在0.02%时，加臭可察觉对天然气，泄漏量达1%，加臭可察觉常用四氢噻吩（THT）三、城市燃气的选择燃气发展方针：优先发展天然气，扩大液化石油气供应，慎重发展人工煤气第三节燃气的基本性质P3表1—1解释：1.CmHn2.发热值——1N·m3燃气完全燃烧后其烟气中的水蒸气被冷却至原始温度所放出的热低发热值——水蒸气被冷却至原始温度的蒸气所放出的热高发热值——水蒸气被冷却至原始温度的凝结水所放出的热量高发热值-低发热值=气化潜热华白指数波动范围：±5%H——燃气热值S——燃气相对密度W——燃烧特征比较接近才可用（必要条件）SHW火焰特征离焰——气流速度大于火焰传播速度脱火——气流速度远大于火焰传播速度而吹熄黄焰——燃烧不充分回火——气流速度小于火焰传播速度P4表1—2：1.气体常数2.除甲烷、乙烯外P4表1—3：混合气体：各组分之间不发生化学反应的均匀混合物，其性质取决于各组分的成分及各组分的热力性质31.8R3/293.1mNkg空气混合气体的组分有三种表示法：1.容积成分2.质量成分3.分子成分　100VVyii　iVV　100GGgii　iGG　100NNxii　iNN　iiyx混合液体的组分也是这三种表示方法，但xi≠yi一、平均分子量二、平均密度和相对密度气体：液体：iiiiMxMyM10011001　iiMxM1001　iiyx平均密度：（定义式）相对密度：气体（相对空气ρ=1.293kg/N·m3）液体（相对4℃水ρ=1000kg/m3）VM　iiVyV1001　iiy1001　或VMS293.1293.1　1000　S湿燃气密度区别湿气！ddw833.0833.0　d——水蒸气含量（含湿量），单位kg/N·m3干燃气0.833——水蒸气密度，单位kg/N·m3换算系数1833.0833.0dK　iiwiykyy1001或水yywiP6表1—4：天然气——密度小，轻液化石油气——液态气态易聚积　水　气例1—１：解题步骤：查各组分的分子量→平均分子量→平均密度→相对密度例1—2：人工燃气（CO、H2），求湿燃气参数解题步骤：1.换算关系2.由iwiKyyK　%24.01wiwKyy水w　三、临界参数临界温度——超过某个温度，无论多大压力都不能使气体液化的温度临界压力——临界温度下使气体液化的压力混合气体平均临界温度混合气体平均临界压力气体温度比临界温度越低，液化所加压力越小icicmTyT1001,icicmPyP1001,图1-1P-V图图1-2P-T图C——临界点左（MCG）液态右（NCG）气态中间气液共存态液—气平衡曲线左：液态右：气态曲线——气液共存态曲线顶点——临界点临界温度越高，越易液化———液化石油气临界温度越低，越难液化———天然气四、实际气体状态方程范德瓦斯方程RTVVPP''zRTPVz——压缩因子（P、T）压力修正体积修正图1-3Tr1P↑Z↓1图1-4Tr1P↑Z↓1→Z↑1例1—3：比较考虑z与不考虑z的区别解题步骤：各组分Tc,Pc→Tm,c,Pm,c→Tr,Pr→检查Tr大于1还是小于1(Tr1,查图1-4)→z不考虑z（z=1）V0减少6%例1—4（其中）比容不考虑z（z=1）ρ减少13%0000VzTVPTPVzTPTP000iiy100101v五、动力粘度（粘度）混合气体：（0℃时）混合液体：iig100gi——质量成分修正：C——实验系数（注意：有量纲！）Ci——表1-2、1-323273273TCTCtiiCyC1001　iix100xi——分子成分运动粘度：例1—5：气体iigy100iiiiiMyMygiigy在一定温度下，密闭容器中液体及蒸气处于动态平衡时蒸气的压力（绝对压力）六、饱和蒸气压（蒸气压）与容器大小及液量无关，仅与温度有关混合液体的蒸气压：由道尔顿定律由拉乌尔定律Pi——任一组分的蒸气分压Pi’——该纯组分的蒸气压（表1-5）'iiiPxPPiPP'iiiPxP理解：表1-5：同一温度，丙烷蒸气压高于正丁烷蒸气压图1-6：丙烷占的比例越大，混合液体的蒸气压就越高图1-7液化石油气钢瓶（15℃）'''4433cccciiPxPxPxP''43ccPP3cx4cxP↓，↑→↓（与钢瓶内体积及液量无关）七、相平衡常数Ki某一温度下的气液两相平衡系统中，某一组分纯的蒸气压Pi’与混合液体的蒸气压P之比为一常数Ki，即PPKii'液相：拉乌尔定律气相：分压定律'iiiPxPPyPii