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燃氣基礎

燃燒基礎知識

 

(四)燃燒基本知識
燃氣與固體燃料(煤、木柴等)、液體燃料(油類等)相比,具有更好的可控性、更高的熱效率。
燃燒是一種放熱發光的化學反應。以天然氣為例,燃氣中的甲烷(CH4)加上氧氣(O2),生成二氧化碳(CO2)加水(H2O)再加上熱量和光,燃燒的化學反應方程式如下:

燃燒必須具備三個必要的條件:可燃物、氧氣、火源。這里所說的可燃物就是燃氣,氧氣就是空氣,火源就是點火源,讓可燃物達到著火的溫度以上。燃燒(包括爆炸)的必要且充分的條件是:可燃物或易燃物、空氣、火源三個條件同時存在,缺少任何一個條件都不可能發生燃燒或爆炸。這就是燃燒三要素。同理,要避免發生火災或者滅火,只要去掉三個要素中的任何一個就可以了。
不同的氣種,燃燒時均會產生不同量的廢氣,例如每燃燒1立方米管道煤氣,會產生約4~5立方米的廢氣。因此,設置燃氣用具的場所必須保持空氣暢通,使燃氣燃燒時有足夠的氧氣,同時使廢氣能及時排出。
目前,上海市的燃氣用戶中有2/3已經使用天然氣了,人工煤氣、天然氣和石油液化氣的燃燒基本知識是相同的,下面就燃燒知識作一些簡單的介紹:
1、燃氣燃燒的方式
燃氣的燃燒方式,可根據燃氣與空氣混合方式和比例的不同,分為擴散式燃燒、大氣式燃燒和無焰式燃燒三種。
(1)擴散式燃燒:燃氣在燃燒前不預先與空氣混合,燃燒所需的氧氣依靠擴散作用從周圍空氣中獲得,這種燃燒方式稱為擴散式燃燒(圖1)。擴散式燃燒的優點是燃燒穩定,燃具結構簡單,燃氣壓力要求不高(最小壓力為200~300帕)。擴散式燃燒的缺點是燃燒火焰較長,易產生不完全燃燒使受熱面積碳,燃燒溫度和熱效率較低。所以擴散式燃燒一般用于熱水器的長明火、各類大型灶具的點火棒、溫度要求不高但需穩定燃燒的特種燃具。

(2)大氣式燃燒:燃燒前預先混入一部分燃燒所需的空氣而進行燃燒,這種燃燒的方式稱為大氣式燃燒(圖2)。它是由英國人本生發明的,因此也稱為本生式燃燒。



大氣式燃燒火焰清晰,燃燒得到強化,其火焰由內焰和外焰組成,焰面內側有一層淺藍色燃燒層,火焰溫度較高。它的優點是熱效率高,因此得到廣泛的應用。常用的煤氣灶、烤箱、熱水器等燃氣用具均采用大氣式燃燒。但大氣式燃燒的缺點是燃燒不穩定,對一次空氣的控制及燃燒組分要求較高。所以采用大氣式燃燒的灶具,應有專人照管,以防燃燒不穩定而造成的事故。不過隨著控制技術的發展,大氣式燃燒的穩定性已經完全不成問題了。
(3)無焰式燃燒。燃氣燃燒所需空氣,在燃燒前已完全與煤氣均勻混合,故也稱為全預混燃燒。在燃燒過程中不需從周圍空氣中取得氧氣,且燃具設置了網格等專門火道,使燃燒區內保持穩定的高溫。當燃氣與空氣混合物到達燃燒區后,能在瞬間燃燒完畢,因為它燃燒時無火焰故稱為:無焰式燃燒。如燃氣紅外線取暖器就是無焰燃燒。它的特點是燃燒完全、燃燒溫度高,產生的紅外線穿透力強,使人感到溫暖舒適;缺點是燃燒穩定性差,極易發生回火,現代技術正在努力克服其缺點后,該燃燒方式就能廣泛造福廣大用戶。
2、常見的各種不正常燃燒及處理方法
燃氣的穩定燃燒是安全應用燃氣的一個極重要因素。實際使用中,如燃氣成分發生變化、壓力變化、廢氣回流等原因都可能影響燃燒的穩定性。因此,應對不穩定的燃燒加以防止及糾正。下面介紹幾種常見的不正常燃燒及其防止方法:
(1)回火:當燃燒器火孔處燃氣與空氣混合物的出口速度小于混合物的火焰傳播速度時,會發生火焰經火孔回縮到燃燒器頭部內或在燃氣噴嘴處燃燒的現象就稱為回火。發生回火不僅產生鳴爆聲或噪聲,而且破壞了一次空氣的吸入,形成不完全燃燒,廢氣中釋放出大量有害氣體既污染了環境又危害人體健康。
一般家用燃具在使用中發生回火現象有以下幾種原因和防止方法(見表1):



若采用上述方法還不能排除回火時,應停止使用,請維修人員上門檢修。
(2)離焰:若燃燒強度不斷增強,火焰脫離燃燒器出口,在一定距離以外燃燒,稱為離焰。若氣流速度再增大,火焰被熄滅,則稱為脫火。產生這種現象是不允許的,這樣會使大量有毒燃氣逸散在空氣中,甚至形成爆炸性氣體,極易釀成事故。一般家用燃具在使用中發生離焰現象有以下幾種原因及防止方法(見表2):

若采用以上方法還不能排除離焰時,應停止使用,請維修人員上門檢修。
(3)不完全燃燒:燃氣中的可燃成分,在燃燒過程中如果沒有完全、充分地進行燃燒反應,則煙氣中會有CO、CH4、H2S等可燃有害成分,易引起中毒或爆炸事故。最常見的不完全燃燒現象為鍋底結炭。因此,若發現鍋底有結炭現象,應立即檢查燃具。一般家用燃具在使用中發生不完全燃燒現象有以下幾種原因及防止方法(見表3):


若采用以上方法還不能恢復正常燃燒時,應請維修人員上門檢修。

所謂燃氣是指能夠作為燃料使用的氣體,氣體中含有可燃燒的氣體和不可燃燒的氣體,可燃燒的氣體有:氫氣(H2)、一氧化碳(CO)、碳氫化合物(CmHn)等,不可燃燒的氣體有:二氧化碳(CO2)、氧氣(O2)等?,F在的中國城市燃氣中,基本具有:人工煤氣、天然氣和液化石油氣。

 

人工煤氣

 

(一)人工煤氣
大部分城市的人工煤氣都是用煤作為原料來制作的,稱之為煤制氣。
1.人工煤氣是由若干種單一氣體組成的混合氣體。其中各種單一氣體的組成隨煤種、制氣工藝的不同而異,因此發熱值也不同。用作城市煤氣的熱值一般應在15000千焦/米3以上。目前上海的城市煤氣熱值為16000千焦/米3。
2.人工煤氣中含有較多的氫氣(H2),氫氣具有燃燒速度快、火焰穩定的特點,在煤制氣中,氫氣的含量約占50%左右。
3.一氧化碳(CO)是人工煤氣的可燃成分之一,也是主要發熱成分,它是無色、無臭、有劇毒的氣體。當人吸入較多的一氧化碳(CO)后,會因血液中缺氧而窒息,以致死亡。煤制氣中一氧化碳的含量約10%~20%左右。
4.人工煤氣和空氣混合達到一定比例,會形成具有爆炸危險的混合氣體,遇到火種,就會引起爆炸(人工煤氣的爆炸極限為5%~50%)。
5.人工煤氣的密度約0.35~0.47千克/米3,比空氣輕,易向上散發、飄逸。
6.除經過脫水處理的煤氣為干煤氣外,一般人工煤氣未經脫水,含有水分,也即濕煤氣。濕煤氣在輸送、使用過程中會產生凝結水。
根據以上的特性可以知道,使用人工煤氣時一旦發生泄漏,最初發生的往往是人身中毒現象,當泄漏達到一定濃度時,又會發生燃燒或爆炸。因此,對人工煤氣嚴重的危險性必須引起重視。

 

天然氣

 

 

(二)天然氣
天然氣是蘊藏在大地深處的可燃性氣體。天然氣的來源主要有兩種,石油伴生氣和干氣田氣。石油伴生氣是伴隨著石油的開采一起出來的氣體,而干氣田氣是直接從地下開采出來的純天然氣。
1995年,上海開始了東海天然氣的開采,1998年終上海的浦東地區首次進行了天然氣轉換。
我國從2002年開始了“西氣東輸”的工程,管道全長4000公里,耗資435億元,年輸氣量200億立方米,途徑9個省、自治區、及直轄市,到達上海,2005年1月開始商業運行。
2007年8月31日,四川天然氣正式開工,西起四川省達州市,東至上海,途徑6省2市,干線長度1700公里。
西氣東輸的2線工程也于2008年2月22日開工建設,西起新疆霍爾果斯口岸,南至廣東,東至上海,途徑14個省市區,一條主干線,8條支干線,總長9102公里。2009年底西段建成投產,2011年前全線貫通。年輸氣量300億立方米。
隨著城市建設和工業發展的需要,我國的沿海城市還在大量進口液化天然氣(LNG),液化天然氣是從氣田開采出來以后,經過凈化處理,在常壓下將其冷卻至-162℃變成液態,成為液化天然氣,體積縮小到原體積的1/600,重量僅為同體積水的45%左右,可用船或專用汽車運輸。上海在洋山深水港已經建成了LNG的專用碼頭和LNG的儲氣站以及氣化站,經過氣化的天然氣通過管線輸送到市區供應居民用戶和工業用戶使用。
目前上海的天然氣主要有五個來源:東海平湖油氣田、四川的普光氣田、新疆的一線、二線氣田、進口的液化天然氣。天然氣的主要成分為甲烷(CH4),還有少量的乙烷,優質天然氣的甲烷含量可達90%以上,它的主要特性是:
1. 天然氣是以甲烷為主要組份的混合氣體,其熱值比較高,約為33000~36000千焦/米3,是普通人工煤氣的2.3倍。目前上海的天然氣熱值約為34000千焦/米3,其密度為0.55千克/米3,比空氣輕,易向上散發、飄逸。
2. 天然氣不含有一氧化碳等劇毒物質,燃燒煙氣中也不含腐蝕性的二氧化硫等,它所含雜質遠少于人工煤氣,不含游離水分,不會造成管道、表具、灶具及閥門的腐蝕、阻塞,且燃燒亦不會造成嚴重的大氣污染,有利于環境保護。
3. 與人工煤氣一樣,具有易燃易爆性。天然氣和空氣混合達到一定比例時,會形成具有爆炸危險的混合氣體,一旦遇到火種會引起爆炸(天然氣爆炸極限為5%~15%)。
天然氣具有高效、安全、潔凈的特點,不會像人工煤氣那樣,一旦發生泄漏,就會出現人身中毒等不安全因素。但天然氣是一種易燃易爆氣體,當泄漏達到一定濃度范圍時,亦會發生燃燒或爆炸,因此仍須提高警惕,防止漏氣。
 
液化石油氣
 
(三)液化石油氣
液化石油氣(簡稱LPG)。在常溫、常壓下是氣體,為了便于運輸和儲存,經過加壓和冷卻后,就變成了液體,灌裝在耐壓的鋼瓶內,便于運輸、儲存和使用。
1、石油氣有兩種來源:
在石油開采過程中生產的石油氣,稱為油井石油氣;在石油煉制過程中生產的石油氣,稱為煉油廠石油氣。這兩種石油氣都可以作為液化石油氣的原料。目前上海使用的液化石油氣是由煉油廠煉制石油時分離出來的。
2、液化石油氣的主要成分
液化石油氣是一種碳氫化合物的混合物,它的主要成分是丙烷、丁烷、丙烯、丁烯餾分,其中丙烷、丁烷所占比率較大。
3、液化石油氣的主要特點:
⑴ 密度大:液化石油氣的氣體是空氣密度的1.5倍。在空氣中會像水流一樣,流向低洼處積滯下來。如沒有很好的通風,就不容易散去。
⑵ 容易氣化:液化石油氣如果以液化狀態流出來,在常溫、常壓下,很快會氣化成約250倍體積的氣體而擴散。
⑶ 熱值高:1立方米的液化石油氣燃燒之后可以產生90000~100000千焦的熱量,約是城市煤氣熱值的6倍。
⑷ 燃燒特點:液化石油氣在燃燒時必須有約30倍的空氣混合才能很好燃燒。燃燒后會產生大量的廢氣,即二氧化碳和水蒸氣,所以在室內使用液化石油氣必須保持有效通風。
⑸ 對人體有害:液化石油氣中不含一氧化碳,不像通常的城市煤氣那樣會使人引起血液中毒。但空氣中它所含的濃度較高時,會使人麻醉發暈,不及時采取措施,將有可能發生致命危險。
⑹ 易燃易爆:液化石油氣和空氣混合后,不論氣溫多么寒冷,只要遇有火種,就連石頭和金屬沖擊所產生的火花或靜電火花這樣微小的火種,也很容易引起燃燒,造成火災。它的易燃易爆的危險性遠勝于人工煤氣,且一旦泄漏,由于它的比重比空氣重,因而不易散發,都集中在泄漏點的附近地面。如果在室內液化石油氣含量達到2%~10%,遇有火種即可引起爆炸。
液化石油氣雖然是一種易燃易爆的氣體,但只要懂得液化石油氣安全使用常識,注意安全,正確使用,液化石油氣的火災、爆炸事故是完全可以避免的。

 

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