2.3　氣體燃料的種類和性質

氣體燃料在各種工業爐窯、冶金爐及鍋爐中得到廣泛應用。它具有以下優點。

①燃燒方法比較簡單，且能達到較高的燃燒效率。

②易于控制燃燒過程，使爐溫、爐內氣體成分等參數達到生產工藝要求。

③可對燃料實現高溫預熱，這不僅利于回收煙氣余熱，且能達到較高的燃燒溫度。

④對已凈化的氣體燃料，其煙氣中幾乎無固體灰渣，這不僅大大減少了設備的磨損，而且降低了對環境的污染。

⑤某些氣體燃料實際上是生產過程的副產品，如加以利用，可達到節能的效果。

但在使用氣體燃料時，應注意以下問題。

①對管道的腐蝕。由于NH₃在水中呈堿性，H₂S、SCN、SO₂及CO₂在水中呈酸性，O₂在水中會引起氧化性腐蝕，因此，當燃料中含有上述成分并含有水分時將會腐蝕管道，為此應去除燃料中所含的水分。

②對人的毒性。在氣體燃料中常含有H₂S、SCN、CO、SO₂、NH₃、C₆H₆等有毒成分，當其超過毒性極限時可致人死亡，在使用氣體燃料時必須重視這一問題。

③爆炸極限范圍。氣體燃料中的某些成分與空氣達到一定的混合比例時，就可能達到爆炸極限范圍。在燃燒裝置停止工作時，由于燃料供氣閥關閉不嚴或閥門損壞，就有可能使燃料漏入燃燒裝置并與空氣混合而達到爆炸極限，當再次啟動點火時就會引起爆炸事故。因此，除了要求閥門氣密以外，在燃燒裝置啟動點火前，應先用空氣吹掃。

所有氣態燃料都由單一的氣體混合組成，其中主要成分為一氧化碳、氫、甲烷等。氣態燃料中經常含有其他氣體成分，如二氧化碳、氮氣、水蒸氣、氧氣等。其他氣體含量越高，氣態燃料的熱值就越低。氣態燃料按熱值來分有高熱值氣態燃料（每立方米25kJ以上）、中熱值（每立方米9～15kJ）以及低熱值（每立方米4kJ左右）氣態燃料。燃氣輪機上最常用也是最好用的是天然氣。所有氣態燃料的共同優點是熱安定性好，比較干凈（和煤比較，煙粒子少、灰分少）和比較好燒（低熱值氣體燃料除外）。

氣體燃料一般分為天然氣體燃料和人造氣體燃料。天然氣體燃料包括天然氣、石油氣與礦井瓦斯氣等。人造氣體燃料則是指對固體燃料和液體燃料進行加工制得的各種煤氣和裂解氣。

2.3.1　天然氣體燃料

（1）天然氣

天然氣是一種由碳氫化合物、硫化氫、氮和二氧化碳等組成的混合氣體，它是由地下開采出來的可燃氣體。根據其來源又可分為由氣田開采而來的氣田天然氣，以及在油田中隨石油一同開采出來的油田天然氣（又稱伴生天然氣）。我國是利用天然氣最早的國家，我國四川有豐富的天然氣資源，在各油田中也有相當豐富的油田天然氣。

氣田天然氣的主要成分為甲烷（CH₄），含量可達80%～98%（按容積計），此外還有少量的烷族重碳氫化合物（C_nH_2n+2），如乙烷（C₂H₆）、丙烷（C₃H₈）（它們的含量為0.1%～7.5%）和硫化氫（約1%以內）等，其他如氮（0～5%）和二氧化碳（約1%以內）等不可燃氣體則為數很少。氣田天然氣是一種無色、稍帶腐爛臭味的氣體，它的密度為0.73～0.80kg/m³，比空氣輕，易于著火燃燒，燃燒所需空氣量較大，為9～14m³/m³。因甲烷及其他碳氫化合物在燃燒時能析出炭粒，故火焰明亮，輻射能力強。

天然氣的成分隨產地可以有很大不同，氮氣和二氧化碳含量可以高達15%，因而天然氣的熱值也可以有很大差異，高的有40kJ（每立方米），低的可以只有33kJ。含H₂S量比較高的稱為酸的，而完全不含硫的稱為甜的。含H₂S量高的需要凈化后才能使用。有的天然氣產地流出的天然氣含有相當的水分、礦物雜質、油分，都要經過分離、凈化后才由氣罐送到使用單位。

在天然氣中各種碳氫化合物的含量最高達90%，因此，它是一種發熱量最高的優質燃料。我國四川地區擁有豐富的天然氣資源。天然氣的開采成本很低，是一種廉價的燃料。天然氣除了作為工業燃料以外，還是化學工業（化肥、塑料、合成橡膠、染料、醫藥以及人造石油等）的寶貴原料，天然氣經過調質后也可作為城市煤氣。

天然氣的燃燒是很干凈的，火焰黑度低。在有些工業爐窯中需增加火焰輻射換熱，為提高天然氣火焰黑度，通常采取的措施有：向火焰噴射重油或焦油；通過預熱使部分天然氣熱分解析出游離碳來提高黑度等。天然氣可以液化加以利用。

近年來，由于加壓與低溫技術的發展，天然氣液化后進行遠距離輸送也達到了工業應用階段。其成本雖然較管道輸送（天然氣）高一些，但它不受管線限制，也有獨特的優點，因而可視作管道輸送的一種補充。

石油氣也稱石油伴生氣，是隨采油而從油井中得到的。石油氣除了主要含有甲烷（CH₄）外，還含有較多的烷族重碳氫化合物，這是油田氣與氣田天然氣的主要不同之處。

油田的石油氣的產量很可觀，這也是天然氣的一個重要來源。石油氣絕大多數是濕性氣，需要分離丙烷以上成分才宜輸出作燃料，這樣供應的石油氣已同干性天然氣沒有什么區別，因而它已成為天然氣的一個組成部分。

（2）液化石油氣和氣體汽油

液化石油氣是一種煉油廠在石油提煉過程的副產品，其主要成分為含有3～4個碳原子的烴類，主要是丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等輕烴類。這些烴類在常溫下加壓（約1.6MPa）可使其液化而貯存于高壓罐中，在使用時，經減壓又可使之氣化，因此它既具有液體燃料便于貯存和運輸的優點，又具有氣體燃料便于使用的特點，故可作為點燃式內燃機的燃料，此時內燃機性能可超過燃用汽油的內燃機。

此外，在開采石油和天然氣時，從石油氣、天然氣中分離出的丙烷以上成分稱為氣體汽油。氣體汽油液化后再分離，戊烷以上的烷烴成分為天然氣，丙烷、丁烷的則稱液化石油氣。

液化石油氣在氣態時的，液化后的，屬高發熱量燃料。液化石油氣是一種優質工業及民用燃料，也是一種重要化工原料。

2.3.2　人造氣體燃料

人造氣體燃料通常是某種工藝過程（如煉焦、煉鐵）中的副產物，它的組成隨各種過程而異。一般來說，人造氣體燃料中的不可燃組分較多，尤其是氮，可達60%。此外，還有水蒸氣、煤粒和灰粒等雜質。

人造氣體燃料有焦爐煤氣、高爐煤氣、水煤氣、發生爐煤氣、液化煤氣、地下氣化煤氣以及其他煤炭氣化的煤氣等。

（1）焦爐煤氣

焦爐煤氣是煤炭在煉焦時所揮發出的可燃氣體，因此它是冶金工業煉焦的副產品。1t煤在煉焦過程中可得到730～780kg焦炭，25～45kg焦油及300～350m³焦爐煤氣。剛由煉焦爐出來的煤氣尚含有焦油蒸氣、水蒸氣等氣態化合物，稱為荒焦爐煤氣。通常1m³的焦爐煤氣中含有300～500g水、100～125g焦油及其他可作為化工原料的氣態化合物。將焦油蒸氣和作為化工原料的成分回收后，并將水分去除，即得作為燃料的焦爐煤氣。

焦爐煤氣中含有大量的氫（46.0%～61.0%）和甲烷（21%～30%），所含惰性氣體成分較低（僅占8%～16%），因此，它是一種發熱量很高的優質燃料。焦爐煤氣是冶金聯合企業的重要燃料之一，通常是將它與燃燒性能較差、發熱量低的高爐煤氣或發生爐煤氣混合，配制成發熱量為8400kJ/m³的混合煤氣，用于加熱爐和平爐等工業爐。

雖然焦爐煤氣是一種優質燃料，但由于從焦爐煤氣中尚可提煉出焦油、苯、萘、氨等重要化工產品，因此它也是一種化工原料，直接將其作為燃料使用是不夠經濟的。

（2）高爐煤氣

高爐煤氣是煉鐵高爐排出的廢氣，是煉鐵過程中的副產品。在高爐中通常每消耗1t焦炭可產生3800～4000m³干高爐煤氣。由高爐直接引出的高爐煤氣含有大量粉塵（達60～80g/m³），必須經過除塵后才能使用。各種設備對含塵量的限制為：蒸汽鍋爐500mg/m³以下；燃氣輪機1mg/m³以下；平爐、熱風爐、加熱爐20～50mg/m³；煉焦爐10mg/m³以下。

高爐是鋼鐵聯合企業中燃料的巨大消費者，其燃料的熱量約有60%轉移到高爐煤氣中，因此，充分有效地利用高爐煤氣對冶金工業節能有重要意義。

高爐煤氣中由于含有大量不可燃氣體（達70%），因此很低，僅4000～4800kJ/m³，其主要可燃成分為CO（25%～31%）和H₂（2%～3%），而甲烷含量很少，同時含有大量的不可燃氣體，如N₂（55%～58%），CO₂（9.0%～15.5%）等，故燃燒速率較低。由于高爐煤氣是一種燃燒溫升較低且難于燃燒的氣體，需采用預熱手段才能使其達到較高的燃燒溫度；將它與其他燃燒性能較好的氣體，如焦爐煤氣摻混使用也是一種有效的技術措施。

（3）轉爐煤氣

用純氧頂吹轉爐煉鋼是目前鋼鐵工業中廣泛采用的煉鋼方法，在煉鋼過程中會產生大量的轉爐煤氣（每冶煉1t鋼約產生70m³轉爐煤氣）。轉爐煤氣的主要成分為CO，含量達45%～65%，其，所以是一種較好的燃料，在冶金工業中常作為混鐵爐、熱風爐、鋼包烘烤設備的燃料，也可作為化工原料用于生產染料、草酸、甲酸等產品。

（4）發生爐煤氣

在高溫下氣化劑與煤發生化學反應，可使煤轉化為可燃氣體，這一過程稱為煤的氣化。目前常用的氣化劑有空氣、水蒸氣、空氣和水蒸氣三種。由此而產生的煤氣稱為空氣發生爐煤氣、水煤氣以及混合發生爐煤氣。

空氣發生爐煤氣的主要可燃成分為CO和H₂，但由于其中含有較多的不可燃氣體，因此CO和H₂的含量就相對較少，故其發熱量不高，屬于低熱值煤氣。在水煤氣中因CO和H₂的含量相對較高，與煉焦爐煤氣同屬高熱值煤氣。它一般不作為鍋爐燃料用，而是作為工業爐的高級燃料和化工原料。但是在冶金工業和其他工業中最常用的工業爐燃料卻是空氣/水蒸氣混合發生爐煤氣（有時就簡稱發生爐煤氣），它的發熱量介于上述兩者之間。這是因為當用空氣作氣化劑制取煤氣時，反應溫度高，易使灰渣熔化，阻塞氣流，影響氣化過程的正常進行。另外空氣發生爐煤氣發熱量太低，不能滿足高溫工業爐的要求，故未被廣泛應用。水煤氣發熱量雖高，但因制取工藝和設備比較復雜，故作為工業爐燃料亦未得推廣。所以，最常用的辦法是就在空氣中加入適量的水蒸氣，在高溫條件下由于水蒸氣分解以及與碳進行還原反應，需要吸收大量熱量，這就避免了反應區溫度過高，同時又增加了煤氣中的可燃組分氫，因此在工業上獲得了普遍采用。空氣/水蒸氣混合發生爐煤氣的組成與發熱量和所采用煤種與使用的化學工藝有關。作為原料的煤種主要是煙煤，有時亦采用褐煤及無煙煤。

（5）地下氣化煤氣

對某些不宜開采的薄煤層及混雜大量硫和礦物雜質的煤礦，可利用地下氣化的方法使其轉化為可燃氣體——地下氣化煤氣。這是一種最經濟，最合理利用煤礦資源的方法。

地下氣化煤氣組成變化范圍較大，其，屬低熱值煤氣。

（6）裂解氣

裂解氣是對液體燃料加工制得的人造氣體燃料，主要有煉廠氣、熱裂解氣與裂解煤氣等幾類。

煉廠氣是煉油廠在進行各種處理時得到的各種副產氣的總稱。這些氣體由碳氫化合物與少量氫氣組成，發熱量很高。因含有丙烷以上的烷烴和乙烯以上的烯烴較多，因此現在一般是將煉廠氣先分離出烯烴與丙烷以上成分后把尾氣輸出作為燃料。也有的煉油廠將煉廠氣直接液化輸出作為燃料，習慣上也稱這種氣為“液化石油氣”，但這種氣體含有烯烴等成分，同前面所說的液化石油氣不同。

裂解氣是將油料或某些烷烴氣體在700℃以上的高溫條件下進行裂解得到的氣體。熱裂解不用催化劑，加熱溫度在800℃以上。石油化工領域常用熱裂解制取烯烴等基本有機原料，燃料工業領域則以熱裂解氣作為其他煤氣的增熱成分或提取烯烴后將尾氣輸出作為燃料。

為提高氣化效率，得到含氫量多的生成氣作為城市煤氣，燃料制造業還應用以裂解為基礎的水蒸氣轉化法、部分氧化法、加氫轉化法等方法制取煤氣，這種煤氣也稱為裂解煤氣。以裂解煤氣作為城市煤氣時，對多數裂解煤氣中的CO還要進行處理（在催化劑作用下轉換為H₂），然后脫除CO₂，發熱量不足的還要增熱，才能輸出供使用。

（7）改制煤氣

它不是單獨的煤氣種類，而是為了特殊用途對一些煤氣進行加工處理，使之具有某些特性的改制氣，即所謂“派生的煤氣”。幾種常見的改制煤氣有增熱煤氣、城市煤氣等。

氣體燃料燃燒時是暗焰還是輝焰，除同燃燒方式有關外，一個重要的決定因素是其可燃成分的組成。小炭粒是含碳可燃氣體分子在所接觸的氧氣不充分時裂解聚集而成的，因此氫氣燃燒不會出現小炭粒，而一氧化碳和甲烷等氣體則可能產生，且分子中含碳原子越多產生的炭粒也越多。就單一氣體燃料而言，一氧化碳的火焰輻射能力是氫氣的2.4倍，甲烷的又比一氧化碳的高1倍，乙烷以上的烴類的更高。以氫氣和一氧化碳為主的煤氣燃燒時火焰雖不是純粹的輝焰，但輻射能力不強，有時不能滿足需要。為了提高這類煤氣的輻射能力而人為地加入烴類氣體組成就叫做“增碳”，所得到的煤氣即為增碳煤氣。

因有的煤氣發熱量達不到要求而向其中摻入高發熱量組分就是“增熱”。增熱和增碳是兩個概念，既有聯系又有區別。增碳通常都有增熱的效果，而增熱則不一定能增碳。不過一般人們多用烴類氣體增熱，這種情況下效果就是雙重的。

供城市居民生活及生產用的氣體燃料習慣上被稱為“城市煤氣”，并非指單獨某個氣種，其組分并未受到嚴格的規定，對它主要要求發熱量高（一般應為高熱值燃氣）、毒性成分低和熱值相對穩定。

（8）氫

無色無臭氣體，分子量為2.016，每立方米的質量為0.089kg，熱值為10590kJ。但由于氫氣很輕，所以按重量算，其熱值就很高，達120170kJ/kg。在空氣中可燃邊界非常廣，達40%～80%。氫氣的火焰傳播速度是各種氣體燃料中最高的，氫氣-空氣的火焰傳播速度為2.67m/s。

氫是一種很有應用前景的氣體燃料，可以生產氫的水資源極其豐富，而且可以利用氫作為“能”的載體，將不能儲存運輸的太陽能、風能、水能及核能等能量轉換成氫能，儲存并輸送到用戶。

氫的單位質量發熱量比汽油和柴油約高3倍，但單位體積的發熱量只有汽油和柴油的1/4～1/3。氫的可燃界限比汽油寬。最低點火能量只有汽油的1/10。氫的自燃溫度為580℃，比汽油高。氫燃燒產物是水及少量氮氧化合物，對空氣污染少，故可視為一種清潔燃料。氫的火焰傳播速度很高，這對于提高燃燒強化程度是很有利的。

早在20世紀20年代就已開始研究將氫應用于內燃機，至20世紀70年代對氫的研究更為廣泛，目前液態氫已成為火箭發動機的燃料。氫被認為是一種良好的燃料，但目前還存在生產成本高，在儲運及使用中尚有一些技術難題未解決，這就阻礙了氫作為商品燃料的應用。

（9）甲烷（CH₄）

無色氣體，微有蔥臭，分子量為16.04，每立方米的質量為0.715kg，低位熱值為 35800 kJ，在空氣中的可燃濃度邊界為2.5%～15%。

（10）一氧化碳（CO）

無色無臭氣體，分子量為28.00，每立方米的質量為1.25kg，熱值為12650kJ。在空氣中的可燃邊界為12.5%～80%。一氧化碳的燃燒有一個很大特點，即在沒有水蒸氣存在時，其著火溫度高，火焰傳播速度低，有少量水蒸氣存在時即可降低其著火溫度，提高燃燒速率。火焰為藍色。CO性質極毒，在空氣中的允許濃度為2×10^-5kg/m³。

（11）生物質氣

①人工沼氣　利用人畜糞便、植物秸稈、野草、城市垃圾和某些工業有機廢物等，經過厭氧菌發酵，可獲一種可燃氣體——人工沼氣。人工沼氣的主要成分為CH₄（約占60%）及少量的CO、H₂及H₂S等，其，高于一般城市煤氣，屬中等發熱量煤氣。

人工沼氣原料來源廣泛、價廉，在農村中可使有機肥料先制氣，后肥田。

②生物質氣化燃氣　秸稈氣化燃氣是利用農作物秸稈及木本生物質，如谷殼、花生殼、蘆葦、樹枝、木屑等作原料，經適當粉碎后，由螺旋式給料器加入氣化器，通過不完全燃燒產生的粗煤氣（發生爐煤氣），再經過凈化除塵和除焦油等操作得到的燃氣。1kg秸稈可產生2m³，燃氣的熱值約為5200kJ/m³。

由于氣體燃料高效、清潔、方便，因此生物質氣化技術的研究與開發得到了國內外的廣泛重視，并取得了巨大的進展，將農林固體廢棄物轉化為可燃氣的技術也初步實現了工業化應用。

2.3.3　氣態燃料的表示方法

氣態燃料有“濕成分”和“干成分”兩種表示方法。所謂濕成分，是指氣態燃料中包括水蒸氣在內的成分，干成分則指氣態燃料中已經不包括水蒸氣的成分。氣態燃料中所含的水蒸氣在常溫下都等于該溫度下的飽和蒸汽量，這樣當溫度變化時，氣體中飽和蒸汽量也隨之變化，因而氣態燃料的濕成分（百分組成）也出現變化。為了排除這種影響，用氣態燃料的干成分來表示其化學組成。進行燃燒計算時要用氣態燃料的濕成分來算（這是真正投入燃燒的），這樣要依據使用時的溫度，根據該溫度下飽和水蒸氣含量由干成分換算為濕成分。氣態燃料的發熱量可以由量熱計測量，也可以根據化學成分計算。發熱量有低熱值和高熱值之分。低熱值指燃燒產物中水蒸氣沒有凝結為水的情況下的發熱量，通常采用的熱值都是低熱值，它符合實際情況。發熱量可按下式計算：

W_DW=12645×CO%+10802×H%+35799×CH₄%+59038×C₂H₄%+…+23112×H₂S% kJ/m³

在氣態燃料中常用到Wobbe指數（Wobbe=Q/ρ），相應于一定尺寸的氣體燃料噴嘴所能通過的能量。對于一個給定的氣體燃料燃燒系統，這個值只能在相對于設計值偏差5%范圍內正常工作，否則要重新設計氣體燃料燃燒系統。

2.3.4　氣態燃料的特性

無論是天然的還是人工制造的氣體燃料，一般都要經過凈化處理，以清除塵埃和有害雜質。供人們使用的氣體燃料大多數是凈化氣，因而討論時對微量雜質氣體可忽略不計。

氣體燃料直接以分子狀態參加反應，因而有更好的燃燒效果與熱工性能，并有利于輸送與自動調節，有利于進一步改善勞動條件，因而是較燃油更為理想的燃料。但需注意的是，氣體燃料在使用過程中有發生爆炸與出現中毒事故的危險性。雖然事故都是因為使用不當或安全措施不嚴格造成的，但使用氣體燃料更容易產生這種危險，因此使用氣體燃料時需要采取更嚴格的措施來保障安全。