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1、燃气基础知识,二一二年三月,一、燃气的定义,燃气是由多种气体组成的混合气体。由于生产所用的原料不同及生产工艺不同，各种燃气的组成也不相同。燃气主要由低级烃（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，以及氨、硫化物、水蒸气、焦油、萘和灰尘等杂质所组成。,二、燃 气 的 分 类,国际煤气工业联盟于1967年在第十届国际煤气工业会议上，将煤气分为三大类：第一类：人工煤气，华白指数：5700-7500；第二类：天然气，华白指数：9860-13850；第三类：石油气，华白指数：18500-22075（石油气是指数丙烷或丁烷的混合气体）。一般炉具对气体燃料的要求华白指数波动7%
2、。,目前国内使用的城市燃气气源有天然气、液化石油气、人工煤气。我国城市燃气分类（GB/T13611-92）对城市燃气做出如下分类：人工煤气 5R 6R 7R天然气 4T 6T 10T 13T液化石油气 19Y 20Y 22Y,燃气可分为天然气、液化石油气、人工煤气、沼气等。天然气一般可分为气田气、油田伴生气、凝析气田气、煤层气、矿井气。人工煤气可分为：固体燃料干馏煤气、固体燃料气化煤气、油制气等。国内作为城市燃气的有天然气、液化石油气、人工煤气。,天然气（Natural Gas）,气田气：从地下开采出来的气田气为纯天然气。石油伴生气：伴随石油开采一块出来的气体称为石油伴生气。凝析气田气：含石油
3、轻质馏分的气体。为方便运输，天然气经过加工还可形成LNG。煤层气：从井下煤层抽出的矿井气。矿井气：开采煤炭、盐等矿产时采集的体称为矿井气。,液化石油气,液化石油气(Liquefied Petroleum Gas,简称LPG)是以凝析气田气、石油伴生气或炼厂气为原料，经加工而得的可燃物。主要组分为丙烷、丙烯、丁烷和丁烯。此外尚有少量戊烷及其它杂质。气态液化石油气热值为93MJ/Nm3左右；液态液化石油气热值为46MJ/Nm3左右。,人工燃气（煤制气）,气化煤气：将其原料煤或焦碳放入工业炉（发生炉、水煤气炉等）里燃烧，并通入空气、水蒸气，使其生成以一氧化碳和氢为主的可燃气体。干馏煤气：把煤放在工业
4、炉（焦炉和武德炉等）里隔绝空气加热，使之煤发生物理化学变化的过程叫干馏。加热后提出可燃气经净化处理还可得到焦油、氨、粗苯等化工产品，炉内存有的是焦碳。,人工燃气（油制气）,重油制气：也可称油制气，将原料重油放入工业炉内经压力、温度及催化剂的作用，重油即裂解，生成可燃气体，副产品有粗苯和碱渣等。,沼气（生物气）,沼气各种有机物质在隔绝空气的条件下发酵，在微生物作用下经生化作用产生的可燃气体，亦称生物气。其组分为甲烷和二氧化碳，还有少量氮和一氧化碳。热值约为22MJ/Nm3。,三、可燃气体燃烧爆炸的基本知识,当空气中含有燃气浓度增加到不能引起爆炸的浓度点称为爆炸上限；当空气中含有燃气浓度减少到不能
5、引起爆炸的浓度点称为爆炸下限。爆炸极限范围之外，因为燃烧产生的热量不足以弥补散失的热量，无法维持继续燃烧。天然气的爆炸极限是515%；液化石油气的爆炸极限是1.59.5%。,（一）可燃气体燃烧爆炸的基本知识1.1可燃气体爆炸的基本条件可燃气体燃烧爆炸的三个基本要素是：可燃气体、助燃剂（空气、氧气）和能引起燃烧爆炸反应的能量。；可燃气体燃烧爆炸的三个基本条件是：可燃气体与空气按一定比例成分子状态混合，有一定的混合空间和反应时间，温度上升到一定值或遇到点火源。防火防爆就是防止三个基本条件中的任何一个产生。,1.2 可燃气体爆炸的模式根据火焰的传播方式及压力波的大小分为如下四种方式：（1）定压燃烧（
6、2）爆燃（爆炸）（3）爆轰（4）定容爆炸,三种燃气的特性,1.3 城市燃气燃烧爆炸的特点（1）突然性，可燃气体泄漏到空气中遇火后可能是先爆炸后燃烧，或先燃烧后爆炸，但爆炸都是在瞬间完成的，使人们措手不及，很难防范和采取措施。（2）复杂性，当储气罐等设施发生着火爆炸时，可能产生多次爆炸。（3）危险性，爆炸产生的冲击波对人员和设施都产生巨大的破坏作用。,（二）可燃气体爆炸的表征参数 2.1燃烧速度火焰相对于前方已扰动气体的运动速度叫燃烧速度，是燃烧爆炸反应气体的特征量。常温、常压下的层流燃烧速度叫标准层流燃烧速度，或基本燃烧速度。影响基本燃烧速度的主要因素有：可燃气体的性质、浓度、初始温度、压力和
7、含有惰性气体的种类和数量。,燃烧速度受各种条件的影响。如气体流动中的耗散性、界面效应、管壁摩擦、密度差、重力作用、障碍物绕流及射流效应等可能引起湍流和漩涡，使火焰不稳定，其表面变得皱折不平，层而增大火焰面积、体积和燃烧速率，增强爆炸破坏效应。在极端得情况下，由于火焰加速而使燃烧转变为爆轰。,2.2 理论火焰温度 一定比例的可燃气体和空气混合产生的燃烧爆炸，它们的热量抱括两部分：一是由可燃气体和空气带入的物理热量（热焓）；二是它们的反应热（可燃气体热值）。如果反应是在绝热下进行，这两部分热全部用于加热反应产物本身，则反应产物所能达到的温度称为理论燃烧温度，也称为理论火焰温度。,2.3 定容爆炸压
8、力 城市燃气空气混合物的最高理论火焰温度大约为89倍初始温度，因而定容爆炸压力（绝对值）大约为89105Pa，相对压力78105Pa。,2.4 爆炸压力上升速率爆炸压力上升速率定义为压力时间曲线上升段拐点处的切线斜率。压力上升速率是衡量燃烧速度的指标，也是衡量爆炸强度的标准。容器容积对爆炸强度具有显著的影响。,2.5 可燃气体爆炸的点火造成泄漏可燃气体爆炸的点火源很多，大约有以下几类：明火、热表面、电火花、切割和电焊、摩擦和撞击产生的火花、热自燃等。明火主要有炉火、烟头、火柴、蜡烛等；日常遇到的电器开关打火，电机的电刷打火，化纤衣服的静电等均属电火花放电点火；热表面点火包括电热量、摩擦轴瓦生热
9、等。,可燃气体的点火能量很低，只有几十到几百微焦耳量级，因此及易被点燃。常见碳氢化合物和空气混合气体的最小点火能约为0.25mJ量级。取人体的平均电容为200pF，化纤衣服的静电位为15kV，则其放电能量为22.5 mJ，这足以点燃可燃气体。在生产、充装、使用可燃气体的场所要加强点火源的控制。,还有一个火焰传播及其安全性的参数火焰猝灭距离（d）。所谓猝火距离是为使火焰正好能开始传播的最小平板间距或间隙，它可用平行板装置或管形装置进行试验测定。（三）可燃气体爆炸极限、影向因素及估算3.1 可燃气体爆炸极限 空气中能使火焰继续不断传播所必须的最低可燃气体浓度，称为火焰传播浓度下限，又称爆炸下极限,
10、空气中能使火焰继续不断传播所必须的最高可燃气体浓度，称为火焰传播浓度上限，又称爆炸下极限 影响因素：可燃气体的种类及化学性质 可燃气体的纯度 可燃气体和空气混合气的均匀（影响因素为扩散系数、比重和泄漏速度。扩散系数大的混合速度快，易混合均匀；反之时间长。比重与空气接近的气体，容易相互均匀混合，比重比空气小的可燃气体易向上方扩散，比重比空气大的可燃气体易沿地表面扩散，并能在死角处长时间的积聚易形成局部燃烧爆炸的危险。）,可燃气体与空气混合的温度、压力 爆炸容器的几何形状、尺寸和材料 点火源的形式、能量和点火位置,点火能量对甲烷空气混合物爆炸极限的影响,含氧量。爆炸极限一般是用小的点火源进行测量（
11、起爆能量小于100J），并且所用的爆炸容器比较小（0.0010.005m3），是在常温下测定。根据有关研究结果表明，起爆能量为10000J、体积为1m3的容器时，确定的参数接近实际情况。在选用有关可燃气体爆炸极限参数时，应弄清楚测试条件，并考虑安全系数。根据我国消防规范规定：考虑到泄漏可燃气体与空气的混合性以及由实验测定的爆炸极限与实际有差别，因此控制范围为0.5倍爆炸下限到1.5倍的爆炸上限。,3.3燃气爆炸极限的估算 单质纯可燃气体按完全燃烧所需氧原子数估算,（2）按化学计量浓度估算 为可燃气体的化学计量比浓度多组分可燃混合气体爆炸极限的估算（1）不含惰性气体的可燃混合气体（2）含惰性气体
12、的可燃混合气体,可燃气体爆炸下限 可燃气体爆炸上限,（四）城市燃气设施安全距离的分析 在城镇燃气设计规范和建筑设计防火规范中，对不同的燃气设施和站房都规定不同的安全距离。这些安全距离都是根据超压准则理论和不同规模的爆炸破坏模拟实验数据确定的，在安全距离之外，破坏程度不超过规定的等级。爆炸对建筑物构件及各种生命破坏和毁伤实验数据：只要爆炸波的超压达到一定值，变会对这类目标构成一定程度（某一等级）的破坏。不同的爆炸源，同样的超压具有不同的破坏作用，可燃气体爆炸，在同样的超压具有更大的破坏效应。,（五）城市燃气站房泄压面积的分析 城市燃气的站房都属于甲类危险气体用建筑。当这些建筑为封闭式时，国标建筑
13、设计防火规范规定有爆炸危险的甲、乙类厂房，应设置必要的泄压设施。泄压设施宜采用轻质屋盖作为设泄压面积，易于泄压的门、窗、轻质墙体也可作为泄压面积。作为泄压面积的轻质屋盖和轻质墙体的每平方重量不宜超过120kg。泄压面积与厂房体积比值(m2/m3)宜采用0.050.22。爆炸介质威力较强或爆炸压力上升速度较快的厂房，应尽量加大比值。,5.1 泄压计算模型 5.1.1 压力与泄压面积的关系 5.1.2 有泄压封口的密闭空间的爆炸压力发展 5.1.3 最大爆炸压力的影响因素,目前可燃气体危险站房一般为钢筋混凝土柱的框架结构，其抗暴压力为30kPa左右，由图4可以看出对于用较厚玻璃的门窗作泄压面积，泄
14、压面积与体积的比值为0.2时，不能起到保护站房的目的。因此在设计泄压面积时，要注意封口材料的爆破常数，根据爆破常数确定泄压面积。5.2 防爆面积的设计 目前许多燃气站房的泄压面积虽然达到建筑防火设计规范的要求，但由于选择泄压封口材料爆破常数过大，泄压作用达不到设计的要求，发生爆炸事故时不能保护房屋结构。同时还存在建筑结构和泄压位置布置设计不合理的问题。,5.2.1 防爆建筑物的布置（1）使建筑尽可能紧凑而方便；（2）尽量减小或消除可积存可燃气体的死角；（3）一般不能采用地下仓库结构；（4）对不同功能的用房采用分离性的建筑结构，危险大的工序实行隔离操作；（5）屋顶尽量采用钢结构，少采用砖混结构。
15、（6）地面下面不宜设置地沟，如果必须设置时，其盖板应严密，并应采用不可燃材料紧密填实。,5.2.2 泄压面积设计 泄压材料的选择：应选择质轻、爆破常数小、耐大气腐蚀性强、不可燃、价格较低的材料，四周固定强度要小。泄压面积的确定：防爆泄压设计是以站房设计的能承受的最大超压，确定最大爆炸压力的，然后利用公式(13)和（14）根据所选的密封材料的爆破常数计算出泄压面积。,泄压位置的确定：工程上应该这样布置泄压口，尽可能的使火焰面后的已燃气体尽快排出，这样可使该气体的爆炸作用对火焰未燃气体运动的影响减至最小，因而泄压口应布置在容易存在点火源的各个部位。可燃气体防爆封口（盖板），尤其是处于火焰后面和火焰
16、附近的气体爆炸泄压盖板，应该在发生爆炸较早的时间开启，否则可迅速引起火焰加速，压力升高，破坏增大。,城镇燃气的加臭,一般情况下，城镇燃气是无色无味、易燃易爆的气体。在燃气泄露时，为了易于被人们发现，要求对燃气进行加臭。常用的加臭剂有乙硫醇、四氢噻酚等。城镇燃气的加臭标准：空气中的可燃气体浓度达到爆炸下限的20%前能被查觉；含有毒性气体成分的城镇燃气，空气中的毒性气体浓度达到使人中毒下限的20%前能被查觉。,四、加臭剂的要求,气味要强烈、独特、有刺激性，还应该持久且不易被其他气味所掩盖；加臭剂及其燃烧产物对人体无害；不腐蚀管线及设备；沸点不高且易于挥发，在运行条件下有足够的蒸气压；其蒸汽不溶于水
17、和凝析液，不与燃气组分发生反应，不易被土壤吸收；价廉而不稀缺。经常使用的加臭剂是四氢噻吩(THT)、乙硫醇(C2H5SH)、三丁基硫醇(TBM)等。,五、天然气与液化石油气,天然气的主要成分以饱和烃为主，主要是甲烷，乙烷、丙烷、丁烷、戊烷含量不多，庚烷以上含量极少。另外还有少量非烃类气体一氧化碳、二氧化碳、氮气、氢气、硫化氢、水蒸气及微量的惰性气体氦（He）、氩（Ar）。,天然气的沸点,沸点是指101,325Pa压力下液体沸腾时的温度。天然气中主要成分甲烷的沸点是-162.6oC。天然气的沸点是-162.49 oC。由于天然气的沸点很低，天然气很难被液化。天然气一般以气态储存和运输。,液化天然
18、气,天然气在1标准大气压下，冷却至约-162时，天然气由气态转变成液态，称为液化天然气（Liquefied Natural Gas，缩写为LNG）。LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，LNG的重量仅为同体积水的45%左右。,液化天然气流程图,压缩天然气,压缩天然气(Compressed Natural Gas,简称CNG)是天然气加压到20MPa(超过3,600磅/平方英寸)以上并以气态储存在容器中。CNG与管道天然气的组分相同。CNG可作为车辆燃料使用，以CNG为燃料的车辆叫做NGV（Natural Gas Vehicle）。,液化石油气,液化石油气(
19、Liquefied Petroleum Gas,简称LPG)是开采和煤油制石油过程中的副产品，其主要成分为丙烷、丁烷、丙烯、丁烯；热值约为83.68-112.97兆焦/标准产方米（2000027000千卡/标准立方米）。LPG在适当的压力下以液态储存在储罐容器中，常被用作炊事燃料。还可用作轻型车辆燃料。,液化石油气的特性,(1)易挥发性 钢瓶内的液化石油气，若以液体状态流出，则会变成约250300倍的气体而扩散。(2)气体状态的比重大 液化石油气的气体比空气重1.52.0倍。在空气中象水一样，流向低洼处而存滞下来，可随风吹散。,液化石油气的特性,(3)火焰颜色 液化石油气正常燃烧时是浅蓝色的无
20、烟火焰。若火焰发黄有烟，说明一次空气量不足。此时液化石油气没有完全燃烧，燃烧生成的一氧化碳会使人中毒。所以，使用液化石油气时必须注意调节进气量，观察火焰的颜色。,液化石油气的特性,(4)溶解性 液化石油气会使橡胶软化，使石油产品溶解。所以软管要求用特制的耐油胶管，不能使用一般胶管。(5)燃烧产物 液化石油气燃烧后产生大量的二氧化碳和水蒸气。燃烧不充分时产生有毒的一氧化碳。所以在燃气具使用时要保证适当的通风换气。,液化石油气的特性,6、易燃易爆性 液化石油气的爆炸极限约为1.59.5%，泄漏时较容易达到下限浓度，容易引起爆燃、爆炸。7、汽化潜热较大 液化石油气的汽化潜热较大，气化时吸收大量热量，
21、液态接触到皮肤容易引起冻伤。所以，工作时要穿好工作服、做好劳动保护。,液化石油气的危险特性,（1）易燃液化石油气液体为甲A类火灾危险性液体，液化石油气气体为甲类火灾危险性气体。该物质闪点低，极易燃，在空气中只需要很小的点火能量（约0.4J，即鞋钉与地面摩擦所产生的能量）即可被引燃。一经点燃，将产生迅猛的混合燃烧。,液化石油气的危险特性,（2）易爆丙烷、丁烷的气体与空气混合物的爆炸下限均较低，在2%左右，发生爆炸的危险性最大。另外，1m3的液化石油气液体可气化为约250 m3的液化石油气气体，这些气体若扩散到大气中，又可形成250012500 m3的爆炸性混合气体，如果遇到火源，将在较大空间内发
22、生强烈的爆炸，爆炸速度可达到20003000m/s。,液化石油气的危险特性,（3）易蒸发 液化石油气液体，属于液化烃，它的沸点很低，在常温下具有较大的蒸气压，容易通过蒸发产生引起燃烧所需的最低限度的蒸气量，从而增大了火灾危险性。此外，液化石油气液体的蒸气压，随温度上升时增加得很快，例如，当温度从15上升到50时，纯液化丙烷的蒸气压从740kpa增加到了1760kpa，大大超出一般可燃液体的增长速度。这就要求保证储罐、钢瓶具有合理的充装系数，严禁超量充装。否则，当气温突变、急剧上升时，有可能发生设备胀裂和物料泄漏事故。,液化石油气的危险特性,（4）易泄漏、扩散液化石油气的装卸、储运作业都是在压力
23、状态下进行的，加之上述物质具有粘度小、易流淌的特点，在生产过程中，容易发生泄漏事故。液化石油气一旦泄漏，在环境温度下，将迅速气化、体积急剧膨胀、与空气混合、向周围扩散，遇明火爆炸。,液化石油气的危险特性,（5）易积聚液化石油气气体比重比空气大，容易滞留在地表、水沟、下水道、电缆沟及凹坑低洼处，并贴着地面沿下风向扩散到远处，延绵不断，往往在预想不到的地方遇火而引起大面积的爆炸或火灾事故。,液化石油气的危险特性,（6）易产生静电液化石油气在管道、泵、阀门等设备内流动时，易产生和积聚静电。液化石油气气体发生小孔径喷射时，因流速极快，可以产生高电位静电。特别是当气体中含有其他微粒物质时，其静电危险性更
24、大。静电放电是导致火灾爆炸事故的一个重要原因。,液化石油气的危险特性,（7）受热易膨胀液化石油气的膨胀系数很大。在15时，液化丙烷和液化丁烷的体积膨胀系数分别是水的16和11倍。因此，如果容器或者管道内的该类液体盛装的过多，在温度升高到一定程度时，就有可能因液体膨胀造成设备破裂和液体泄漏，进而引发火灾爆炸事故。,液化石油气的危险特性,（8）杂质的危害液化石油气中常含有硫化氢及水分等杂质，这些杂质对储罐、管道产生腐蚀作用，降低储罐、管道的安全性能，埋下事故隐患。,液化石油气的危险特性,（9）毒性液化石油气虽然属于微毒类物质，但当空气中液化石油气的浓度较高时，仍可能使暴露人员出现头晕、头痛、嗜睡、
25、恶心、呕吐等症状，尤其在H2S含量超标时，除表现为麻醉、昏迷状态外甚至发生意识丧失，以致死亡。,液化石油气的运输,液化石油气的运输 1、管道运输；2、铁路罐车运输和汽车槽车运输；3、槽船运输。,液化石油气的供应,液化石油气的供应形式 1、瓶装供应方式；2、管道供应方式2.1、液化气通过自然气化或强制气化后通过管道供应用户；2.2、液化气经强制气化并与空气混全后通过管道供应用户。,六、埋地钢管的腐蚀,埋地钢管的腐蚀的原因比较复杂，一般归纳为如下四类：1、电化学腐蚀；2、杂散电流腐蚀；3、化学腐蚀；4、细菌作用引起的腐蚀（微生物腐蚀）。,电化学腐蚀,当金属与电解质溶液接触时，由电化学作用引起的腐蚀
26、。严重的电化学腐蚀发生在埋地钢管的外壁。其原理是由于土壤各处物理化学性质不同、管道本身各部分的金相组织结构不同，如晶格的缺陷及含有杂质、金属受冷热加工而变形产生内部应力，特别是钢管表面粗糙度不同等原因，使一部分金属容易电离，带正电的金属离子离开金属，而转移到土壤中，,电化学腐蚀,在这部分管段上，电子越来越过剩，电位越来越负；而另一部分金属不容易电离，相对来说电位较正。因此电子沿管道由容易电离的部分向不容易电离的部分流动，在这两部分金属之间的电子有得有失，发生氧化还原反应。失去电子的金属管段成为阳极区，得到电子的这段管段成为阴极区，腐蚀电流从阴极流向阳极，然后从阳极流离管道，经土壤又回到阴极，形
27、成回路，,电化学腐蚀,在作为电解质溶液的土壤中发生离子迁移，带正电的阳离子（如H+）趋向阴极，带负电的阴离子（如OH）趋向阳极，在阳极区带正电的金属离子与土壤中的带负电的阴离子发生电化学作用，使阳极区的金属离子不断电离而受到腐蚀，使钢表面出现凹穴，以至穿孔，而阴极则保持完好。,化学腐蚀,化学腐蚀是单纯由化学作用引起。金属直接和周围介质如氧、硫化氢、二氧化硫等接触发生化学作用，在金属表面上产生相应的化合物（如氧化物、硫化物等）。用金属材料构成的燃气管道上所出现的化学腐蚀，常常发生在管道内壁和外壁，因为管道输送的流体中，通常含有少量的氧和硫化物以及二氧化碳和水等，直接对管道内壁产生腐蚀。,管道化学
28、腐蚀,外壁的化学腐蚀依然存在，对于埋地管道而言，外壁会存在于有氧的环境中，架空敷设的管道同样会在空气中被氧化。化学腐蚀是全面的，在化学腐蚀作用下，管壁厚度是均匀减少的。,埋地钢管的防腐,1、绝缘层防腐法：（1）石油煤沥青防腐，（2）煤焦油磁漆防腐，（3）环氧沥青防腐涂层，（4）聚乙烯/丙烯粘胶带防腐，（5）聚乙烯“夹克”防腐。,埋地钢管的防腐,2、电保护法：（1）外加电源阴极保护，一个阴极保护站的保护半径R=1520Km，两个阴极保护站之间的保护距离S=4060Km，（2）牺牲阳极保护法，（3）排流保护法。,七、室外燃气管道压力机制,高压燃气管道 A 2.5P4.0MPa B 1.6P2.5 MPa次高压燃气管道 A 0.8P1.6MPa B 0.4P0.8 MPa中压燃气管道 A 0.2P0.4MPa B 0.01P0.2MPa低压燃气管道 P0.01Mpa,八、用气设备燃烧器的额定压力（kPa）,
