气体燃料的爆炸极限是怎样规定的

【知识梳理】

1．矿物燃料和气体燃料

在社会生产、家庭生活中都要消耗能量，燃料是人类赖以获取能量的物质。煤、石油和天然气叫矿物燃料，此外还有薪柴燃料、核燃料等。非燃料的能量来源有太阳能、水力、风力、地热等。至今，矿物燃料约占人类能量总消耗量的95％。

管道煤气由煤加工制得，液化气是石油炼制产物，天然气则能直接使用。家庭生活中，为什么要使用气体燃料呢？

①因气体易扩散，故气体燃料与空气混合充分，容易完全燃烧，与固体燃料相比有较高的能量利用率。

②气体燃料便于运输，使用方便（易点燃，易熄灭），且清洁卫生。

③固体煤中含有硫、氮等杂质，直接燃煤、煤球或煤饼会产生大量二氧化硫、氮氧化物（NOx）、粉尘等，造成大气污染，住宅环境也烟灰满天，厨房空气的污染则更严重。

城市居民用气，最先发展的是管道煤气，以后产生液化气作为补充，天然气则是近年发展起来的气体燃料。在城市发展史上，煤气普及率成为城市文明程度的重要指标。

2．管道煤气、液化气和天然气的成分和发热量

管道煤气的可燃成分是氢气、一氧化碳和甲烷，分别约占48%～50%，10%～15%和13%～18%。这三种气体燃烧时放出的热量是不一样的，下表列出了它们的燃烧热。

H2、CO和CH4的燃烧热（kJ/mol）

H2 CO CH4

燃烧热 285.5 282.5 889.5

液化气又叫液化石油气，主要成分和燃烧热见下表：

液化气的成分及其燃烧热

名称丙烷丙烯丁烷丁烯

化学式 C3H8 C3H6 C4H10 C4H8

体积分数 7% 28% 23% 42%

燃烧热（kJ/mol） 2247 2126 2996 2720

液化气中C3、C4的烃是沸点较低的成分，用蒸馏的方法很容易从石油分馏气、裂化气中分离出来，经降温加压转化为液态，贮存于钢瓶中，供煤气管道还未接通的地区或农村、山区使用。

天然气的主要成分是甲烷，还有少量的其他气态烃，天然气直接产自油气田，开采后经脱硫、脱水等，即可用作家庭燃气。

三种气体燃料的热值大体为以下数值：（见下表）

管道煤气、液化气和天然气的热值

管道煤气液化气天然气

热值 15.6MJ/m3 47.3MJ/kg

109 MJ/m3 38.7 MJ/m3

3．煤加工成煤气的化学原理

把煤转化成煤气的方法很多，主要有：

①发生炉煤气：由热空气和灼热的煤反应制得，其可燃成分是一氧化碳，同时含有较多量的氮气。

C＋O2 CO2 CO2＋C 2CO

发生炉煤气生产容易，价格低廉，但热值太低，且一氧化碳有毒，所以它仅是管道煤气的次要气源。

②水煤气：将水蒸气鼓入灼热的煤粉，得到的气体叫水煤气，其可燃成分是一氧化碳和氢气。

C＋H2O CO＋H2

由于这是一个吸热反应，故必须交替鼓入空气和水蒸气，才能维持炉温。水煤气的热值也不高，也是管道煤气的次要气源。

③干馏煤气（焦炉气）：即煤干馏得到的气体，其可燃成分是甲烷和氢气，同时得到副产品焦炭和煤焦油。干馏煤气热值高，是管道煤气的主要气源。

一个大型的煤气厂，有多种类型的制气设备，一般是将上述数种气源气体掺混，使之达到一定的热值和良好的燃烧性质，才贮于大型贮气柜中，送入城市煤气管道网络。

4．热化学方程式、燃烧热和热值

化学反应的热量变化（反应热）可以用热化学方程式来表示，例如：

H2（气）十1/2 O2（气）→H2O（液）＋285.5kJ

CH4（气）＋2O2（气）→CO2（气）＋2H2O（液）＋889.5kJ

书写热化学方程式时，必须注明物质的状况，例如1mol氢气完全燃烧生成气态水，放出241.6 kJ的热，其差值（43.9 kJ）是1mol液态水变成水蒸气所吸热的热量。

H2（气）十1/2 O2（气）→H2O（气）＋241.6kJ

热化学方程式中，化学式前的系数是表示物质的量的数值（rnol），因此可以是分数，其数值必须与热量数值对应。例如：

CO（气）十1/2 O2（气）→CO2（气）＋282.5kJ

2CO（气）＋O2（气）→2CO2（气）＋565kJ

不同燃料在氧气中完全燃烧时，反应热各不相同。科学上规定，在25℃，1.013×105Pa时，1mol纯净物完全燃烧生成二氧化碳和液态水所产生的热量叫燃烧热，单位是kJ/mol。燃烧热数值越大，物质燃烧时放出的热量越多。前文已介绍过甲烷的燃烧热较氢气和一氧化碳高，如果在煤气中增加甲烷的含量就可以提高煤气的发热量。

由于实际使用的燃料大都不是纯净物，通常用热值来表示它们的发热量。热值是指1m3或1kg燃料完全燃烧时放出的热量，单位是kJ/m3或kJ/kg。

【阅读】

东海天然气工程和国家西气东输工程

2000年 8月上旬，上海市政府召开的《落实国家西气东输会议精神，加快调整上海能源结构》工作会议传出信息：上海将停建燃煤电厂和煤制气厂，抓紧建设燃气电厂，争取在2002年前，上海内环线内建成“基本无燃煤区”，这是一个多么令人振奋的消息！

目前，本市每年消耗煤炭4 200万吨，占一次能源消耗量的70％，在一次能源中，天然气的份额很低。今年东海平湖油气田的年供应量是4.4亿米3。东海平湖油气田扩建工程已经启动，建成后年供应量将达73亿米3，能供50万户居民使用。

我国天然气资源十分丰富，但60％在中西部地区，如新疆、四川有着巨大的储量。中央提出开发大西部的战略，西气东输工程将耗资1 200亿元，建设一条长约4 200千米的管道主干线，从新疆开始，途经甘、宁、陕、晋、豫、苏等地，进入长江三角洲及沿海城镇。预计2001年动工，2003年上半年便可进入上海，届时上海天然气年供应量将达到18亿米3，并迅速扩大，至2005年达到30亿米3。

上海内环线内，找不到煤炭的踪影，这是怎样的一幅画面呢？可以预见，上海城区的天空，

将呈现目前只能在草原上才能见到的“蓝天白云”的绚丽景象。

【内容拓展】

1．能源资源及其分类

我们经常听到能源这个名词，容易望文生义，认为指的就是能量的来源。其实，这种理解并不确切。确切地说，能源是能为人类提供热、光、动力等有用能量的物质或物质运动的统称，包括矿物燃料、阳光、流水、波浪、薪柴等。

能源有多种分类。从能源的原有形态是否改变的角度分为自然界现存的一次能源和由一次能源加工转化而成的二次能源。煤、石油、天然气、水力、太阳能等是一次能源，煤气、液化气、汽油、煤油、酒精等是二次能源。

从能源能否循环再生角度，可将能源分为可再生能源和不可再生能源。煤、石油是古代动植物经长期地质运动作用形成的，开采一点就少一点，这是不可再生能源；像太阳能、风力、地热或从绿色植物中制取的酒精等，它们可以取之不尽，用之不竭，是可再生能源。

此外，能源还可分为燃料能源和非燃料能源，常规能源和新能源等。

例题：把下列14种能源按要求填入下表，并指出哪些是不可再生能源。

煤、石油、水力、汽油、铀、薪柴、酒精、天然气、液化气、热水、煤气、蒸汽、风力、电。

一次能源二次能源

燃料能源

非燃料能源

2．气体燃料的爆炸极限是怎样规定的

家用燃气给我们生活带来许多方便，但也潜伏了不少危险。上海和其他城镇，年年都会发生爆炸火灾事件，年年都会有人因使用不当而发生煤气中毒。所以，我们要科学地使用气体燃料。

大家都知道，点燃氢气前要检验氢气的纯度，就是因为氢气和空气混合物遇见明火或电火花就会爆炸的缘故，这种能爆炸的混合气体中所含可燃气体的浓度范围叫这种可燃气体的爆炸极限。一般用体积分数表示。

当混合气体中可燃气体的体积分数减少到或增加到不能形成爆炸性混合物时的那一浓度，分别称为爆炸下限和爆炸上限。下表列出了各种气体燃料的爆炸极限；

各种燃气的爆炸极限（V%）

发生炉煤气水煤气干馏煤气液化气天然气

爆炸极限

（上限～下限） 17.3～87.1 6.3～73.8 4.7～26.5 2～10 5～6

可燃气体爆炸极限宽度大的，容易发生爆炸。从表中可知，液化气、天然气的爆炸极限较管道煤气各种成分的宽度要小，因而具有不易爆的特点（注意：并非不会爆炸）

例题：借助上表的数值，计算天然气爆炸最剧烈时，空气中含天然气的体积分数（二位有效数字）。

分析：查表可知，天然气的爆炸极限是5％～16％，爆炸最剧烈的体积分数一定在这一范围内。爆炸最剧烈可理解为天然气和氧气的体积比符合化学反应的体积比（均无剩余）的状况。解：设天然气为1L，

CH4＋2O2→CO2＋2H2O

则，天然气完全燃烧所需氧气体积为2L。

爆炸最剧烈时天然气的体积分数： ×100％＝9.5％。

几种常见燃料的热值表

燃料主要成分热值（千焦／摩）酒精 1367

焦炭（C） 300

天然气（主要是CH4） 896 氢气 286

汽油（C8H18为例） 5 472