第四节 城镇燃气的基本性质

一、燃气的组成

燃气是由多种气体组成的混合气体。它主要由低级烃（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，二氧化碳、氮气和氧气等不可燃组分，以及氨、硫化物、氧化物、水蒸气、焦油、萘和灰尘等杂质所组成。

组成燃气的单一气体在标准状态下的物理化学性质见表1-3、表1-4。

二、燃气的平均分子量

1.混合气体的平均分子量

按下式计算：

式中 M——混合气体的平均分子量；

y₁，y₂，…，y_n——各单一气体体积分数（%）；

M₁，M₂，…，M_n——各单一气体分子量。

2.混合液体的平均分子量

按下式计算：

式中 M——混合液体的平均分子量；

x₁，x₂，…，x_n——各单一液体分子成分（%）；

M₁，M₂，…，M_n——各单一液体分子量。

各气体的分子量与气体常数见表1-3和表1-4。

三、燃气的平均密度和相对密度

1.燃气的平均密度

单位容积的燃气所具有的质量称为燃气平均密度，其单位为kg/m³或kg/N·m³。燃气平均密度可用下式计算：或

式中 ρ——燃气平均密度（kg/N·m³）；

V_m——燃气的平均摩尔体积（N·m³/kmol）；

M——燃气的平均摩尔质量（kg/kmol）；

ρ₁，ρ₂，…，ρ_n——标准状态下各单一气体密度（kg/N·m³）。对于双原子气体和甲烷组成的混合气体，标准状态下的V_m可取22.4N·m³/kmol，而对

于由其他碳氢化合物组成的混合气体，则取22N·m³/kmol。

2.燃气相对密度

燃气平均密度与相同状态下的空气平均密度之比值称为燃气相对密度。通常用标准状态数值进行计算：

式中 d——燃气的相对密度；

ρ——燃气平均密度（kg/N·m³）；

M——燃气的平均摩尔质量（kg/kmol）；

V_m——燃气的平均摩尔容积（N·m³/kmol）；

1.293——标准状态下的空气平均密度（kg/N·m³）。

几种燃气的密度和相对密度见表1-5。

表1-5 几种燃气的密度和相对密度

3.燃气的比体积

单位质量燃气所具有的体积称为比体积，即

v=V/m

式中 ν——燃气的比体积（m³/kg或N·m³/kg）。

燃气的比体积与平均密度关系为ρν=1，即燃气的比体积和密度互为倒数。

四、临界参数

当温度不超过某一数值，对气体进行加压可以使气体液化，而在该温度以上，无论施加多大压力都不能使之液化，这个温度就称为该气体的临界温度；在临界温度下，使气体液化所需的压力称为临界压力；此时的比体积称为临界比体积；上述参数统称为临界参数。

临界参数是气体的重要物性数据，一些单一气体的临界参数见表1-3、表1-4。

气体临界温度越高，越易液化。由于组成天然气的主要成分甲烷的临界温度低，故天然气较难液化，而组成液化石油气的碳氢化合物的临界温度较高，故较易液化。

五、粘度

燃气是有粘滞性的，这种特性用粘度表示。粘度是气体或液体内部摩擦引起的阻力。包括动力粘度和运动粘度，当气体内部有相对运动时，就会因为摩擦产生内部阻力。粘度越大，阻力越大，气体流动就越困难。

气体的粘度随温度的升高而增加，而液体的粘度则随温度的升高而降低。对于燃气，其分子间吸引力很小，温度升高则体积膨胀，对分子间吸引力的影响不大，但增大了气体分子的运动速度，于是气体层间作相对运动时产生的内摩擦力就增大，即粘度增大。

六、饱和蒸气压

饱和蒸气压简称蒸气压，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的绝对压力。蒸气压随温度升高而增大。

七、沸点和露点

1.沸点

通常所说的沸点是指一定压力下液体沸腾汽化时的温度。一些低级烃的沸点见表1-7。

由表1-7可知，液体丙烷在101325Pa压力下，-42.17℃时就处于沸腾状态，而液体正丁烷在101325Pa压力下，-0.5℃时才处于沸腾状态。因而冬季当液化石油气容器放置在0℃以下的地方时，应该使用沸点低的丙烷、丙烯组分高的液化石油气。因为丙烷、丙烯在寒冷的地区或季节也可以汽化。

2.露点

在一定压力下，气体冷却出现液体时的温度。

气态碳氢化合物在某一蒸气压时的露点也就是液体在同一压力时的沸点。燃气的露点与其组成及压力有关。露点随燃气压力及各组分的容积成分而变化，压力增大，露点升高。

当用管道输送燃气时，必须保持其温度在露点以上，以防凝结，阻碍输气。

八、体积膨胀

燃气的体积会随温度变化而变化。

液态碳氢化合物的体积膨胀系数大约比水大16倍。在灌装容器时必须考虑由温度变化引起的体积增大，留出必需的气相空间体积。

一些液态碳氢化合物的体膨胀系数见表1-6。

表1-6 液态碳氢化合物的体膨胀系数

液态碳氢化合物的体积膨胀可根据体膨胀系数按下式计算：

对于单一液体：

式中 V₁——温度为t₁（℃）时的液体体积；

V₂——温度为t₂（℃）时的液体体积；

β——t₁～t₂温度范围内的体膨胀系数平均值。

对于混合液体：

式中 V₁，V₂——温度为t₁、t₂时混合液体的体积；

k₁，k₂，…，k_n——温度为t₁时混合液体各组分的体积分数；β₁，β₂，…，β_n——各组分由t₁～t₂温度范围内的体膨胀系数平均值。

九、水化物

如果碳氢化合物中的水分超过一定含量，在一定温度压力条件下，水能与液相和气相的C₁、C2、C3和C4生成结晶水化物C_mH_n·xH₂O（对于甲烷，x=6～7；对于乙烷，x=6；对于丙烷及异丁烷，x=17）。水化物在聚集状态下是白色的结晶体或带铁锈色。依据它的生成条件，一般水化物类似于冰或致密的雪。水化物是不稳定的结合物，在低压条件下易分解为气体和水。

在湿燃气中形成水化物的主要条件是压力及温度，次要条件是，含有杂质、高速、紊流、脉动（例如由活塞式压送机引起的）、急剧转弯等因素。

水化物的生成，会缩小管道的流通截面，甚至堵塞管线、阀件和设备。

为防止水化物的形成或分解已形成的水化物有两种方法：一是采用降低压力、升高温度、加入可以使水化物分解的反应剂（防冻剂）；二是采用脱水，使气体中水分含量降低到不致形成水化物的程度。

十、燃气的热值

燃气热值是指单位数量（1kmol、1N·m³或1kg）燃气完全燃烧时所放出的全部热量，单位分别为kJ/kmol、kJ/N·m³、kJ/kg。燃气工程中常用kJ/N·m³，液化石油气有时用kJ/kg。

燃气热值可分为高热值和低热值。高热值是指单位数量的燃气完全燃烧后，其燃烧产物和周围环境恢复至燃烧前温度，而其中的水蒸气被凝结成同温度水后放出的全部热量；低热值是指单位数量燃气完全燃烧后，其燃烧产物和周围环境恢复至燃烧前温度，而不计其中水蒸气凝结热时所放出的热量。

燃烧产物中的水蒸气通常以气体状态排出，因此实际工程中常用燃气的低热值进行计算，常用城镇燃气的低热值见表1-1。

通常燃气的热值可按下式计算：

式中 H——燃气热值（kJ/N·m³）；

Y_i——燃气中第i组分的摩尔（体积）分数；

H_i——燃气中第i组分的热值（kJ/N·m³）。

十一、燃气的汽化潜热

单位数量物质由液态变成与之处于平衡状态的蒸气所吸收的热量为该物质的汽化潜热。反之，由蒸气变成与之处于平衡状态的液体时所放出的热量为该物质的凝结热。同一物质，在同一状态时汽化潜热与凝结热是同一个值，其实质为饱和蒸气与饱和液体的焓差。其单位为kJ/kg或kJ/kmol。

燃气中常见组分在0.1MPa压力下，沸点时的汽化潜热见表1-7。

表1-7 燃气中常见组分在101.325kPa时的沸点及沸点时的汽化潜热

①升华。

十二、着火温度和爆炸浓度极限

1.着火温度

燃气开始燃烧时的温度称为着火温度，不同可燃气体的着火温度不同。单一可燃气体在空气中的着火温度见表1-8，在纯氧中的着火温度比在空气中的数值低50～100℃。

表1-8 几种单一气体在空气中的着火温度（0℃，101.325kPa）

2.爆炸浓度极限

燃气的爆炸浓度极限是燃气的重要性质之一，因为当燃气和空气（或氧气）混合后，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的浓度在一定范围时，混合气体才能发生爆炸，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数。各单一气体在常压293.15kPa下的爆炸极限见表1-3、表1-4。

几种主要燃气的爆炸极限见表1-9。

表1-9 主要燃气的爆炸极限