第四節 城鎮燃氣的基本性質

一、燃氣的組成

燃氣是由多種氣體組成的混合氣體。它主要由低級烴（甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯）、氫氣和一氧化碳等可燃組分，二氧化碳、氮氣和氧氣等不可燃組分，以及氨、硫化物、氧化物、水蒸氣、焦油、萘和灰塵等雜質所組成。

組成燃氣的單一氣體在標準狀態下的物理化學性質見表1-3、表1-4。

二、燃氣的平均分子量

1.混合氣體的平均分子量

按下式計算：

式中 M——混合氣體的平均分子量；

y₁，y₂，…，y_n——各單一氣體體積分數（%）；

M₁，M₂，…，M_n——各單一氣體分子量。

2.混合液體的平均分子量

按下式計算：

式中 M——混合液體的平均分子量；

x₁，x₂，…，x_n——各單一液體分子成分（%）；

M₁，M₂，…，M_n——各單一液體分子量。

各氣體的分子量與氣體常數見表1-3和表1-4。

三、燃氣的平均密度和相對密度

1.燃氣的平均密度

單位容積的燃氣所具有的質量稱為燃氣平均密度，其單位為kg/m³或kg/N·m³。燃氣平均密度可用下式計算：或

式中 ρ——燃氣平均密度（kg/N·m³）；

V_m——燃氣的平均摩爾體積（N·m³/kmol）；

M——燃氣的平均摩爾質量（kg/kmol）；

ρ₁，ρ₂，…，ρ_n——標準狀態下各單一氣體密度（kg/N·m³）。對于雙原子氣體和甲烷組成的混合氣體，標準狀態下的V_m可取22.4N·m³/kmol，而對

于由其他碳氫化合物組成的混合氣體，則取22N·m³/kmol。

2.燃氣相對密度

燃氣平均密度與相同狀態下的空氣平均密度之比值稱為燃氣相對密度。通常用標準狀態數值進行計算：

式中 d——燃氣的相對密度；

ρ——燃氣平均密度（kg/N·m³）；

M——燃氣的平均摩爾質量（kg/kmol）；

V_m——燃氣的平均摩爾容積（N·m³/kmol）；

1.293——標準狀態下的空氣平均密度（kg/N·m³）。

幾種燃氣的密度和相對密度見表1-5。

表1-5 幾種燃氣的密度和相對密度

3.燃氣的比體積

單位質量燃氣所具有的體積稱為比體積，即

v=V/m

式中 ν——燃氣的比體積（m³/kg或N·m³/kg）。

燃氣的比體積與平均密度關系為ρν=1，即燃氣的比體積和密度互為倒數。

四、臨界參數

當溫度不超過某一數值，對氣體進行加壓可以使氣體液化，而在該溫度以上，無論施加多大壓力都不能使之液化，這個溫度就稱為該氣體的臨界溫度；在臨界溫度下，使氣體液化所需的壓力稱為臨界壓力；此時的比體積稱為臨界比體積；上述參數統稱為臨界參數。

臨界參數是氣體的重要物性數據，一些單一氣體的臨界參數見表1-3、表1-4。

氣體臨界溫度越高，越易液化。由于組成天然氣的主要成分甲烷的臨界溫度低，故天然氣較難液化，而組成液化石油氣的碳氫化合物的臨界溫度較高，故較易液化。

五、粘度

燃氣是有粘滯性的，這種特性用粘度表示。粘度是氣體或液體內部摩擦引起的阻力。包括動力粘度和運動粘度，當氣體內部有相對運動時，就會因為摩擦產生內部阻力。粘度越大，阻力越大，氣體流動就越困難。

氣體的粘度隨溫度的升高而增加，而液體的粘度則隨溫度的升高而降低。對于燃氣，其分子間吸引力很小，溫度升高則體積膨脹，對分子間吸引力的影響不大，但增大了氣體分子的運動速度，于是氣體層間作相對運動時產生的內摩擦力就增大，即粘度增大。

六、飽和蒸氣壓

飽和蒸氣壓簡稱蒸氣壓，就是在一定溫度下密閉容器中的液體及其蒸氣處于動態平衡時的絕對壓力。蒸氣壓隨溫度升高而增大。

七、沸點和露點

1.沸點

通常所說的沸點是指一定壓力下液體沸騰汽化時的溫度。一些低級烴的沸點見表1-7。

由表1-7可知，液體丙烷在101325Pa壓力下，-42.17℃時就處于沸騰狀態，而液體正丁烷在101325Pa壓力下，-0.5℃時才處于沸騰狀態。因而冬季當液化石油氣容器放置在0℃以下的地方時，應該使用沸點低的丙烷、丙烯組分高的液化石油氣。因為丙烷、丙烯在寒冷的地區或季節也可以汽化。

2.露點

在一定壓力下，氣體冷卻出現液體時的溫度。

氣態碳氫化合物在某一蒸氣壓時的露點也就是液體在同一壓力時的沸點。燃氣的露點與其組成及壓力有關。露點隨燃氣壓力及各組分的容積成分而變化，壓力增大，露點升高。

當用管道輸送燃氣時，必須保持其溫度在露點以上，以防凝結，阻礙輸氣。

八、體積膨脹

燃氣的體積會隨溫度變化而變化。

液態碳氫化合物的體積膨脹系數大約比水大16倍。在灌裝容器時必須考慮由溫度變化引起的體積增大，留出必需的氣相空間體積。

一些液態碳氫化合物的體膨脹系數見表1-6。

表1-6 液態碳氫化合物的體膨脹系數

液態碳氫化合物的體積膨脹可根據體膨脹系數按下式計算：

對于單一液體：

式中 V₁——溫度為t₁（℃）時的液體體積；

V₂——溫度為t₂（℃）時的液體體積；

β——t₁～t₂溫度范圍內的體膨脹系數平均值。

對于混合液體：

式中 V₁，V₂——溫度為t₁、t₂時混合液體的體積；

k₁，k₂，…，k_n——溫度為t₁時混合液體各組分的體積分數；β₁，β₂，…，β_n——各組分由t₁～t₂溫度范圍內的體膨脹系數平均值。

九、水化物

如果碳氫化合物中的水分超過一定含量，在一定溫度壓力條件下，水能與液相和氣相的C₁、C2、C3和C4生成結晶水化物C_mH_n·xH₂O（對于甲烷，x=6～7；對于乙烷，x=6；對于丙烷及異丁烷，x=17）。水化物在聚集狀態下是白色的結晶體或帶鐵銹色。依據它的生成條件，一般水化物類似于冰或致密的雪。水化物是不穩定的結合物，在低壓條件下易分解為氣體和水。

在濕燃氣中形成水化物的主要條件是壓力及溫度，次要條件是，含有雜質、高速、紊流、脈動（例如由活塞式壓送機引起的）、急劇轉彎等因素。

水化物的生成，會縮小管道的流通截面，甚至堵塞管線、閥件和設備。

為防止水化物的形成或分解已形成的水化物有兩種方法：一是采用降低壓力、升高溫度、加入可以使水化物分解的反應劑（防凍劑）；二是采用脫水，使氣體中水分含量降低到不致形成水化物的程度。

十、燃氣的熱值

燃氣熱值是指單位數量（1kmol、1N·m³或1kg）燃氣完全燃燒時所放出的全部熱量，單位分別為kJ/kmol、kJ/N·m³、kJ/kg。燃氣工程中常用kJ/N·m³，液化石油氣有時用kJ/kg。

燃氣熱值可分為高熱值和低熱值。高熱值是指單位數量的燃氣完全燃燒后，其燃燒產物和周圍環境恢復至燃燒前溫度，而其中的水蒸氣被凝結成同溫度水后放出的全部熱量；低熱值是指單位數量燃氣完全燃燒后，其燃燒產物和周圍環境恢復至燃燒前溫度，而不計其中水蒸氣凝結熱時所放出的熱量。

燃燒產物中的水蒸氣通常以氣體狀態排出，因此實際工程中常用燃氣的低熱值進行計算，常用城鎮燃氣的低熱值見表1-1。

通常燃氣的熱值可按下式計算：

式中 H——燃氣熱值（kJ/N·m³）；

Y_i——燃氣中第i組分的摩爾（體積）分數；

H_i——燃氣中第i組分的熱值（kJ/N·m³）。

十一、燃氣的汽化潛熱

單位數量物質由液態變成與之處于平衡狀態的蒸氣所吸收的熱量為該物質的汽化潛熱。反之，由蒸氣變成與之處于平衡狀態的液體時所放出的熱量為該物質的凝結熱。同一物質，在同一狀態時汽化潛熱與凝結熱是同一個值，其實質為飽和蒸氣與飽和液體的焓差。其單位為kJ/kg或kJ/kmol。

燃氣中常見組分在0.1MPa壓力下，沸點時的汽化潛熱見表1-7。

表1-7 燃氣中常見組分在101.325kPa時的沸點及沸點時的汽化潛熱

①升華。

十二、著火溫度和爆炸濃度極限

1.著火溫度

燃氣開始燃燒時的溫度稱為著火溫度，不同可燃氣體的著火溫度不同。單一可燃氣體在空氣中的著火溫度見表1-8，在純氧中的著火溫度比在空氣中的數值低50～100℃。

表1-8 幾種單一氣體在空氣中的著火溫度（0℃，101.325kPa）

2.爆炸濃度極限

燃氣的爆炸濃度極限是燃氣的重要性質之一，因為當燃氣和空氣（或氧氣）混合后，如果這兩種氣體達到一定比例時，就會形成具有爆炸危險的混合氣體。該氣體與火焰接觸時，即形成爆炸。但是并非任何比例的燃氣-空氣混合氣體都會發生爆炸，只有在燃氣-空氣混合氣體中可燃氣的濃度在一定范圍時，混合氣體才能發生爆炸，此范圍是從爆炸下限的某一最小值到爆炸上限的某一最大值。

混合氣體的爆炸極限取決于組成氣體的爆炸極限及其摩爾分數。各單一氣體在常壓293.15kPa下的爆炸極限見表1-3、表1-4。

幾種主要燃氣的爆炸極限見表1-9。

表1-9 主要燃氣的爆炸極限