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燃气基础

燃烧基础知识

 

(四)燃烧基本知识
燃气与固体燃料(煤、木柴等)、液体燃料(油类等)相比,具有更好的可控性、更高的热效率。
燃烧是一种放热发光的化学反应。以天然气为例,燃气中的甲烷(CH4)加上氧气(O2),生成二氧化碳(CO2)加水(H2O)再加上热量和光,燃烧的化学反应方程式如下:

燃烧必须具备三个必要的条件:可燃物、氧气、火源。这里所说的可燃物就是燃气,氧气就是空气,火源就是点火源,让可燃物达到着火的温度以上。燃烧(包括爆炸)的必要且充分的条件是:可燃物或易燃物、空气、火源三个条件同时存在,缺少任何一个条件都不可能发生燃烧或爆炸。这就是燃烧三要素。同理,要避免发生火灾或者灭火,只要去掉三个要素中的任何一个就可以了。
不同的气种,燃烧时均会产生不同量的废气,例如每燃烧1立方米管道煤气,会产生约4~5立方米的废气。因此,设置燃气用具的场所必须保持空气畅通,使燃气燃烧时有足够的氧气,同时使废气能及时排出。
目前,上海市的燃气用户中有2/3已经使用天然气了,人工煤气、天然气和石油液化气的燃烧基本知识是相同的,下面就燃烧知识作一些简单的介绍:
1、燃气燃烧的方式
燃气的燃烧方式,可根据燃气与空气混合方式和比例的不同,分为扩散式燃烧、大气式燃烧和无焰式燃烧三种。
(1)扩散式燃烧:燃气在燃烧前不预先与空气混合,燃烧所需的氧气依靠扩散作用从周围空气中获得,这种燃烧方式称为扩散式燃烧(图1)。扩散式燃烧的优点是燃烧稳定,燃具结构简单,燃气压力要求不高(最小压力为200~300帕)。扩散式燃烧的缺点是燃烧火焰较长,易产生不完全燃烧使受热面积碳,燃烧温度和热效率较低。所以扩散式燃烧一般用于热水器的长明火、各类大型灶具的点火棒、温度要求不高但需稳定燃烧的特种燃具。

(2)大气式燃烧:燃烧前预先混入一部分燃烧所需的空气而进行燃烧,这种燃烧的方式称为大气式燃烧(图2)。它是由英国人本生发明的,因此也称为本生式燃烧。



大气式燃烧火焰清晰,燃烧得到强化,其火焰由内焰和外焰组成,焰面内侧有一层浅蓝色燃烧层,火焰温度较高。它的优点是热效率高,因此得到广泛的应用。常用的煤气灶、烤箱、热水器等燃气用具均采用大气式燃烧。但大气式燃烧的缺点是燃烧不稳定,对一次空气的控制及燃烧组分要求较高。所以采用大气式燃烧的灶具,应有专人照管,以防燃烧不稳定而造成的事故。不过随着控制技术的发展,大气式燃烧的稳定性已经完全不成问题了。
(3)无焰式燃烧。燃气燃烧所需空气,在燃烧前已完全与煤气均匀混合,故也称为全预混燃烧。在燃烧过程中不需从周围空气中取得氧气,且燃具设置了网格等专门火道,使燃烧区内保持稳定的高温。当燃气与空气混合物到达燃烧区后,能在瞬间燃烧完毕,因为它燃烧时无火焰故称为:无焰式燃烧。如燃气红外线取暖器就是无焰燃烧。它的特点是燃烧完全、燃烧温度高,产生的红外线穿透力强,使人感到温暖舒适;缺点是燃烧稳定性差,极易发生回火,现代技术正在努力克服其缺点后,该燃烧方式就能广泛造福广大用户。
2、常见的各种不正常燃烧及处理方法
燃气的稳定燃烧是安全应用燃气的一个极重要因素。实际使用中,如燃气成分发生变化、压力变化、废气回流等原因都可能影响燃烧的稳定性。因此,应对不稳定的燃烧加以防止及纠正。下面介绍几种常见的不正常燃烧及其防止方法:
(1)回火:当燃烧器火孔处燃气与空气混合物的出口速度小于混合物的火焰传播速度时,会发生火焰经火孔回缩到燃烧器头部内或在燃气喷嘴处燃烧的现象就称为回火。发生回火不仅产生鸣爆声或噪声,而且破坏了一次空气的吸入,形成不完全燃烧,废气中释放出大量有害气体既污染了环境又危害人体健康。
一般家用燃具在使用中发生回火现象有以下几种原因和防止方法(见表1):



若采用上述方法还不能排除回火时,应停止使用,请维修人员上门检修。
(2)离焰:若燃烧强度不断增强,火焰脱离燃烧器出口,在一定距离以外燃烧,称为离焰。若气流速度再增大,火焰被熄灭,则称为脱火。产生这种现象是不允许的,这样会使大量有毒燃气逸散在空气中,甚至形成爆炸性气体,极易酿成事故。一般家用燃具在使用中发生离焰现象有以下几种原因及防止方法(见表2):

若采用以上方法还不能排除离焰时,应停止使用,请维修人员上门检修。
(3)不完全燃烧:燃气中的可燃成分,在燃烧过程中如果没有完全、充分地进行燃烧反应,则烟气中会有CO、CH4、H2S等可燃有害成分,易引起中毒或爆炸事故。最常见的不完全燃烧现象为锅底结炭。因此,若发现锅底有结炭现象,应立即检查燃具。一般家用燃具在使用中发生不完全燃烧现象有以下几种原因及防止方法(见表3):


若采用以上方法还不能恢复正常燃烧时,应请维修人员上门检修。

所谓燃气是指能够作为燃料使用的气体,气体中含有可燃烧的气体和不可燃烧的气体,可燃烧的气体有:氢气(H2)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(CmHn)等,不可燃烧的气体有:二氧化碳(CO2)、氧气(O2)等。现在的中国城市燃气中,基本具有:人工煤气、天然气和液化石油气。

 

人工煤气

 

(一)人工煤气
大部分城市的人工煤气都是用煤作为原料来制作的,称之为煤制气。
1.人工煤气是由若干种单一气体组成的混合气体。其中各种单一气体的组成随煤种、制气工艺的不同而异,因此发热值也不同。用作城市煤气的热值一般应在15000千焦/米3以上。目前上海的城市煤气热值为16000千焦/米3。
2.人工煤气中含有较多的氢气(H2),氢气具有燃烧速度快、火焰稳定的特点,在煤制气中,氢气的含量约占50%左右。
3.一氧化碳(CO)是人工煤气的可燃成分之一,也是主要发热成分,它是无色、无臭、有剧毒的气体。当人吸入较多的一氧化碳(CO)后,会因血液中缺氧而窒息,以致死亡。煤制气中一氧化碳的含量约10%~20%左右。
4.人工煤气和空气混合达到一定比例,会形成具有爆炸危险的混合气体,遇到火种,就会引起爆炸(人工煤气的爆炸极限为5%~50%)。
5.人工煤气的密度约0.35~0.47千克/米3,比空气轻,易向上散发、飘逸。
6.除经过脱水处理的煤气为干煤气外,一般人工煤气未经脱水,含有水分,也即湿煤气。湿煤气在输送、使用过程中会产生凝结水。
根据以上的特性可以知道,使用人工煤气时一旦发生泄漏,最初发生的往往是人身中毒现象,当泄漏达到一定浓度时,又会发生燃烧或爆炸。因此,对人工煤气严重的危险性必须引起重视。

 

天然气

 

 

(二)天然气
天然气是蕴藏在大地深处的可燃性气体。天然气的来源主要有两种,石油伴生气和干气田气。石油伴生气是伴随着石油的开采一起出来的气体,而干气田气是直接从地下开采出来的纯天然气。
1995年,上海开始了东海天然气的开采,1998年终上海的浦东地区首次进行了天然气转换。
我国从2002年开始了“西气东输”的工程,管道全长4000公里,耗资435亿元,年输气量200亿立方米,途径9个省、自治区、及直辖市,到达上海,2005年1月开始商业运行。
2007年8月31日,四川天然气正式开工,西起四川省达州市,东至上海,途径6省2市,干线长度1700公里。
西气东输的2线工程也于2008年2月22日开工建设,西起新疆霍尔果斯口岸,南至广东,东至上海,途径14个省市区,一条主干线,8条支干线,总长9102公里。2009年底西段建成投产,2011年前全线贯通。年输气量300亿立方米。
随着城市建设和工业发展的需要,我国的沿海城市还在大量进口液化天然气(LNG),液化天然气是从气田开采出来以后,经过净化处理,在常压下将其冷却至-162℃变成液态,成为液化天然气,体积缩小到原体积的1/600,重量仅为同体积水的45%左右,可用船或专用汽车运输。上海在洋山深水港已经建成了LNG的专用码头和LNG的储气站以及气化站,经过气化的天然气通过管线输送到市区供应居民用户和工业用户使用。
目前上海的天然气主要有五个来源:东海平湖油气田、四川的普光气田、新疆的一线、二线气田、进口的液化天然气。天然气的主要成分为甲烷(CH4),还有少量的乙烷,优质天然气的甲烷含量可达90%以上,它的主要特性是:
1. 天然气是以甲烷为主要组份的混合气体,其热值比较高,约为33000~36000千焦/米3,是普通人工煤气的2.3倍。目前上海的天然气热值约为34000千焦/米3,其密度为0.55千克/米3,比空气轻,易向上散发、飘逸。
2. 天然气不含有一氧化碳等剧毒物质,燃烧烟气中也不含腐蚀性的二氧化硫等,它所含杂质远少于人工煤气,不含游离水分,不会造成管道、表具、灶具及阀门的腐蚀、阻塞,且燃烧亦不会造成严重的大气污染,有利于环境保护。
3. 与人工煤气一样,具有易燃易爆性。天然气和空气混合达到一定比例时,会形成具有爆炸危险的混合气体,一旦遇到火种会引起爆炸(天然气爆炸极限为5%~15%)。
天然气具有高效、安全、洁净的特点,不会像人工煤气那样,一旦发生泄漏,就会出现人身中毒等不安全因素。但天然气是一种易燃易爆气体,当泄漏达到一定浓度范围时,亦会发生燃烧或爆炸,因此仍须提高警惕,防止漏气。
 
液化石油气
 
(三)液化石油气
液化石油气(简称LPG)。在常温、常压下是气体,为了便于运输和储存,经过加压和冷却后,就变成了液体,灌装在耐压的钢瓶内,便于运输、储存和使用。
1、石油气有两种来源:
在石油开采过程中生产的石油气,称为油井石油气;在石油炼制过程中生产的石油气,称为炼油厂石油气。这两种石油气都可以作为液化石油气的原料。目前上海使用的液化石油气是由炼油厂炼制石油时分离出来的。
2、液化石油气的主要成分
液化石油气是一种碳氢化合物的混合物,它的主要成分是丙烷、丁烷、丙烯、丁烯馏分,其中丙烷、丁烷所占比率较大。
3、液化石油气的主要特点:
⑴ 密度大:液化石油气的气体是空气密度的1.5倍。在空气中会像水流一样,流向低洼处积滞下来。如没有很好的通风,就不容易散去。
⑵ 容易气化:液化石油气如果以液化状态流出来,在常温、常压下,很快会气化成约250倍体积的气体而扩散。
⑶ 热值高:1立方米的液化石油气燃烧之后可以产生90000~100000千焦的热量,约是城市煤气热值的6倍。
⑷ 燃烧特点:液化石油气在燃烧时必须有约30倍的空气混合才能很好燃烧。燃烧后会产生大量的废气,即二氧化碳和水蒸气,所以在室内使用液化石油气必须保持有效通风。
⑸ 对人体有害:液化石油气中不含一氧化碳,不像通常的城市煤气那样会使人引起血液中毒。但空气中它所含的浓度较高时,会使人麻醉发晕,不及时采取措施,将有可能发生致命危险。
⑹ 易燃易爆:液化石油气和空气混合后,不论气温多么寒冷,只要遇有火种,就连石头和金属冲击所产生的火花或静电火花这样微小的火种,也很容易引起燃烧,造成火灾。它的易燃易爆的危险性远胜于人工煤气,且一旦泄漏,由于它的比重比空气重,因而不易散发,都集中在泄漏点的附近地面。如果在室内液化石油气含量达到2%~10%,遇有火种即可引起爆炸。
液化石油气虽然是一种易燃易爆的气体,但只要懂得液化石油气安全使用常识,注意安全,正确使用,液化石油气的火灾、爆炸事故是完全可以避免的。

 

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