气体燃料的组成及特性(精)上课讲义
燃烧学 5气体燃料的燃烧
5气体燃料的燃烧5.1气体燃料燃烧原理及特点1、单相（同相、均相）反应：在一个系统内反应物与生成物属同一物态。
2、多向反应（异相反应）：在一个系统内反应物与生成物不属与同一物态。
3、气体燃料的燃烧过程包括三个阶段：燃气和空气的混合阶段、混合后可燃气体混合物的加热和着火阶段、完成燃烧化学反应阶段。
全预混燃烧（无焰燃烧、动力燃烧）4、两种类型预混燃烧：半预混燃烧扩散燃烧（有焰燃烧）①一次空气系数：燃烧前已与燃气混合的空气量与该燃气燃烧的理论空气量之比。
②当一次空气系数大于0而小于1时，称为半预混燃烧；③当一次空气系数大于或等于1时，称为全预混燃烧④预混燃烧：如果燃气与空气预先混合后，再送入燃烧室燃烧，这种燃烧成为预混燃烧。
⑤扩散燃烧：如果燃气与空气不预先混合后，而是通过各自管道送入燃烧室燃烧，此时燃气内部无一次空气，这种在燃烧室内边混合边燃烧的方式称为扩散燃烧。
5.2预混可燃气体的着火与燃烧1、预混可燃气体的燃烧过程两个基本阶段：着火阶段、着火后的燃烧阶段2、预混可燃气体的着火方法：点燃自燃热自燃：链锁自燃：预混燃烧的特点：P135爆炸式化学反应3.热自燃理论：某一反应体系在初始条件下，进行缓慢的氧化还原反应，反应产生热量，同时向环境散热，当产生的热量大于散热时，体系的温度升高，化学反应速度加快，产生更多的热量，反应体系的温度进一步升高，直至着火燃烧。
自热体系着火成功与否取决于其放热因素和散热因素的相互关系。
发生热自燃时的温度称为热自燃温度或着火温度。
理论燃烧温度：当燃气完全燃烧时，燃气温度达到最高值Tmax ，称为理论燃烧温度（绝热燃烧温度）预混气体在绝热条件下的热自然： 绝热热自然条件： 上式的物理意义：①只有当温度升高而使反应速度的增加速率超过因燃料消耗而引起反应速度下降速率时，预混合可燃气体在绝热条件下才会发生热自燃。
②绝热过程不是引起热自燃的充分条件。
只要过程开始后，反应物浓度足够大，初始温度较高，虽初始反应速度较低，但随后的反应速度总会不断增大，并导致热自燃着火。
2.1气体燃料
三、气体燃料
气体燃料的优点
气 体 燃 料 的 优 点
组成、性质最简单的燃料
燃烧方式简单、燃烧过程容易控制 容易自动调节 可以在燃烧前预热
气体燃料的主要成分
CH4 H2
CO
可燃性气体
其他烃类
H 2S CO2 N2
不可燃性气体
O2
H 2O
煤气的腐蚀性和毒性
NH3 腐 蚀 性 气 体 HCN H 2S CO2 O2 毒 性 气 体 NH3 HCN
发热量很高为34000～63000kJ/m3
向天然气喷射重油或焦油，提高天然气火焰 的黑度
天然气热分解析出游离碳
部分燃烧法
– 某一温度下1m3（标况下）干气体中所吸收的水蒸气 的质量(g)，单位为g/m3
• 有时候没有给出含湿量，给出了某温度下的饱 和蒸汽压Ps
Ps Ps H 2O 100 100 5 P0 1.013 10
s
燃料发热量
实验测定：容克式量热计 气体燃料的发热量 公式计算：根据化学组分
Qg CO% QCO CH 4 % QCH 4 H 2 % QH 2 ......
H2S
CO 苯 SO2
气体燃料使用注意的问题
对管道的腐蚀 毒性 爆炸极限范围
气体燃料的成分表示方法
• 以各气体成分所占的体积百分比表示 湿成分：包括水蒸气
CO H CH
s s 2 s 4
CO N O H2O 100
s 2 s 2 s 2
干成分：不包括水蒸气
s s COs H2 CH4 s s s CO2 N2 O2 100
一般用干成分表示气体燃料的化学组成
第三章 气体燃料
煤气成分的表示方法
气体燃料的湿成分
CO湿+H2湿+CH4湿+……+CO2湿+N2湿+O2湿+H2O湿 =100 其中： 其中：CO湿、 H2湿-100m3燃料中该成分的含量
气体燃料的干成分
CO干+H2干+CH4干+……+CO2干+N2干+O2干=100 其中： 其中： CO干、 H2干-100m3干燃料中该成分的含量
乙烷（C2H6）
无色无臭气体 分子量取30 爆炸浓度范围2.5~15% 着火温度510~630 ℃ 临界温度：-34.5 ℃ 低发热量：63670kJ/m3
氢气（H2）
无色无臭气体 空气中爆炸浓度范围4~80% 着火温度510~590℃ 临界温度：-239.9 ℃ 低发热量：10790kJ/m3（书上有错） 1990年，齐鲁石化公司胜利炼油厂第八 届职工运动会开幕前，由200名小学生组 成的氢气球方队在体育场入口处发生气球 爆燃事故，130人被不同程度地烧伤
温度 F(C)
缓慢 反应 w/o点 火源
容量
自引燃温度 点火引燃
无传播
环境温度
爆燃低限点
% 浓度
爆燃高限点
甲烷（CH4）
无色气体，微有葱臭 分子量取16 与空气混合可引起强烈爆炸，爆炸浓度范 围2.5~15% 着火温度530~750℃ 临界温度：-82.5 ℃ 在空气中浓度较高时才有毒性 低发热量：35740kJ/m3
22.4 ×10−3 = 0.00124 3 / g m 18
1m3干气体所吸收的水蒸汽的重量可由附录 干气体所吸收的水蒸汽的重量可由附录5 查得，即为： 查得，即为： g 干 g / m 3
燃烧学第三章课件
Q
net ,ar
=
xQ
1
+
(1 −
x )Q
2
KJ m
3
按各成分气体发热量之和计算
查表获得各成分气体的发热量 燃料发热量的测试 实验测定：容克式量热计
第三节 高炉煤气
组成成分 炼铁炉的副产品，在冶炼过程中主要生成CO，其 体积百分含量约为20%~30%。气体中含有大量 N2和CO2，其体积百分含量占63-70%左右，含尘 也很高60-80g/m3，使用前要除尘。 是一种无色无味、无臭的气体，主要可燃成分是 CO，所以毒性极大。注意：使用中特别要防止 煤气中毒。
H 2 O 湿 = 100 ×
பைடு நூலகம்
干 0.00124 g H 2 O 干 1 + 0.00124 g H 2 O
H O
2
湿
= 0 . 124 g
干
H O
2
100 100 + 0 . 124 g
g H O
2
很多数据表只有各温度下水蒸汽的饱和蒸 汽压，而没有直接的水蒸汽含量数据，此 时如何确定水蒸汽的含量
气体的过程。 发生炉煤气的热值一般为3780-11340KJ/m3。工业炉 中最常用的是混合发生炉煤气。发生炉煤气的成分主 要是CO、H2、CH4、N2等。
第六节 天然气
种类 干天然气：气田 伴生天然气或油性天然气：油田，含石油蒸汽 组成 CH4等碳氢化合物占90％以上、少量H2S、N2 、CO2 、 CO等。 发热量： 很高，33440-41800kg/m3 用途 工业燃料、化工原料、生活煤气、动力煤气、液化天然气
63680
10750
12630
第4章_气体燃料燃烧
• 引入x＝0处的温度梯度, 则
λ(
dT ) = c p ρ 0v0 (T − T0 ) dx
dT ) x =0 = c p ρ 0v0 (TB − T0 ) dx
λ(
λ 1 Tr − TB v0 = c p ρ 0 δ TB − T0
一维层流燃烧室中气体工质 的温度和燃料浓度变化
• 假定在单位时间内流入燃烧区的可燃混合气完全在该 区域内进行燃烧反应，则可得
vL ∝ p m
m——刘易斯压力指数， m＝n/2－1； n ——燃烧反应级数 (1) 当vL< 0.50 m/s，n < 2，m < 0，vL 随着p 的升高而减小； (2) 当0.50 m/s < vL< 1.00 m/s，n =2，m = 0，vL 与p 的变化无关； (3) 当vL >1.00 m/s，n > 2， m > 0，vL随着p 的升高而增大。
• 预热区能量方程(略去靠近反应区的少量反应)
d dT dT (λ ) − c p ρ 0v0 =0 dx dx dx
边界条件：
在x =-∞处 T =T0
在x = 0处 T =Tb
dT =0 dx dT dT = ( ) x =0 dx dx
• 求解，得
(λ dT ) x =0 = c p ρ0 v0 (Tb − T0 ) dx
一、火焰正常传播速度的理论求解及分析
1. 用于简化近似分析的热理论 －∞< x≤0 为可燃混合气预热区 0≤x≤δ 为可燃混合气燃烧区 (δ为燃烧区的宽度) δ≤x<＋∞ 为燃烧产物区
一维层流燃烧室中气体工质的温度和燃料浓度变化
(1) 可燃混合气在开始着火之前的温度变化规律 • 描述一维层流燃烧室系统中具有化学反应时 的导热微分方程式
燃烧学西安交大气体燃料的燃烧PPT学习教案
S——火焰锋面的曲面面积； S0——平均位置平面面积。
uceS ut S0
ut S
（3-29）
uce S0
锥面高度：
h w
—锥面顶点以脉动速度w冲刺而形成这个椎体的时间。
忽略uce与d的方向差异，也可得： d—锥底的直径。
d 2uce
wd
h
（3-30）
2uce
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二、自燃
②对于Q2
Q1 Q2
点B：热自燃着火的临界点，对应Tlj
③对于Q2Ⅲ
Q1>Q2Ⅲ，能着火，着火稳定。
结论：
1、着火临界条件：① Q1＝Q2； ②
dQ1 dQ2 dT dT
2、稳定着火条件： Q1>Q2（燃烧过程中，如煤粉燃烧，可用 于强燃）
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二、自燃
讨论：Q1＝Q2、
dQ1 dT
1、热源温度为T1，放热少。（实际温降曲线略高于自 然散射温降曲线）
2、热源温度升为T2，实际温降为0，化学反应放热=环
境散热。
边界层内 dT dx
0，此时T2
Tlj
3、热源温度再升为时T3，边界层内
dT dx
0，此时T3
Tlj
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二、强燃
平板形状热源物体计算：
收入：
q1
(
dT dx
uce
2 uce
ut uce
由此式可看出，在很弱的湍动时，ut接近于uce。
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Ⅱ、湍流时的火焰传播
③大标尺强湍动：湍动迁移距离l大 于层流锋面厚度d；w’>>uce。 由式（3-31）， w’>>uce 模型1：
气体燃料的组成及特性(精)
与
媒体
计算机、打印机、录像、课件、图纸、笔、橡皮、专业相关资料等。
授课教案
一、气体燃料的基本概念
1.气体燃料：指在常温、常压下保持气态的燃料，简称燃气。
2.燃气的特点：易点火、易燃烧、易操作、易实现自动调节，而且燃烧产物中无废渣和废液，烟气中SOx和NOx的含量少。燃气是最理想的洁净燃料。
二、燃气的组成
三、燃气的基本特性
1.气体燃料的体积分数：在相同温度和压力条件下，燃气中各单一组分的体积和燃气总体积的比值称为体积分数。（示例氢气）
2.燃气的平均密度：单位体积的燃气所具有的质量称为燃气的平均密度，用符号ρ表示，单位为kg/m3。
3.燃气的比体积：单位质量的燃气所占有的体积称为燃气的比体积，用符号ν表示，单位为m3/kg或Nm3/kg。
四、燃气的分类
1.天然气
1)气田气（纯天然气）：从气井直接开采出来的可燃气体，其主要组分CH4的体积分数大于90%，低位发热量Qnet≈36MJ/m3。
2)油田伴生气：指与石油共生的天然气，包括气顶气和溶解气两种。油田伴生气的主要组分CH4的体积分数≥80%，乙烷及其以上烃类含量一般较高，低位发热量Qnet≈48 MJ/m3。
6)水分的危害：水和水蒸汽能与液态和气态碳氢化合物作用，生成固态结晶水化物，堵塞管道、阀门、仪表（流量计、压力表、液位计等）和设备（调压器、过滤器等），影响正常供气；水蒸气还能加剧O2、H2S、SO2对管道、阀门、燃烧器及锅炉金属受热面的腐蚀作用。
7)残液的危害：液化石油气中C5及C5以上的碳氢化合物组分的沸点高，在常温、常压下不能气化，而留存在钢瓶、储罐等压力容器内，称为残液。它增加了用户更换气瓶的次数，而且增加了交通运输量。
院（部）机电与暖通工程学院
气体燃料特点及常用燃气成分和特性
气体燃料特点及常用燃气成分和特性引言随着社会的发展，化学工业、燃气行业等相关产业不断发展，对于气体燃料的需求也与日俱增。
气体燃料具有易储存、清洁、节能等优点，已经成为了工业和家庭使用的主要燃料类型之一。
了解气体燃料的特点和常用的燃气成分及特性对于工业和家庭应用都至关重要。
气体燃料的特点气体燃料指的是在常温下能够需要加热才能燃烧的气体，主要特点有以下几点：•易储存：气体具有高压储存、低温储存、液化储存等多种方式；•清洁：气体燃烧时无烟尘、雾霾、气味等污染；•节能：气体燃烧时热量利用率高，可有效节约能源；•安全：气体燃烧时的燃烧温度低、易控制，安全性高；•多种用途：气体燃料不仅可以用于燃烧发电、供暖、烹饪等领域，还可以用于钢铁、化工、半导体、制药等领域的生产工艺。
常用燃气成分及特性天然气天然气是一种天然存在的气体，主要成分是甲烷。
除甲烷外，还有少量的乙烷、丙烷、丁烷、氮气、二氧化碳等。
天然气燃烧时产生的二氧化碳排放量是其他化石燃料的50%以下，是一种非常清洁的燃料。
天然气的富集性较好，储存方便，并且是一种非常安全的燃料。
利用天然气发电可以在保证能源清洁的同时提高电力效率，具有广泛的应用价值。
液化石油气液化石油气是一种由石油天然气和炼油厂副产品制成的气态燃料，在常温和大气压下为液态。
液化石油气主要成分是丙烷、丁烷、异丁烷等混合物。
液化石油气燃烧时，空气污染低，能够降低全球变暖。
液化石油气易于储存和运输，可用于燃料气和民用暖气、消防、饮食、烹饪、工业炉等领域。
但需要注意的是，液化石油气的储存和使用都需要严格的安全保障措施。
甲烷甲烷是一种无色、无味、无毒、轻质、易燃的气体，广泛分布在自然界中，例如泥炭、火山岩、钻井一类的地下水源中都可能出现甲烷。
甲烷的燃烧温度高，能够产生更高的燃烧效率，是许多采暖、钢铁、零件加工、半导体等工业领域经常使用的气体。
甲烷的储存相对困难，通常采用液态、高压气体储存方式。
甲烷在天然气工业中也有广泛用途。
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《锅炉与锅炉房设备施工》教案模块一：锅炉房设备的基本知识单元三：锅炉燃料1.3.3 气体燃料的组成及特性学院内蒙古建筑职业技术学院院（部）机电与暖通工程学院教师王思文气体燃料的组成及特性教学目的通过课程教学，挖掘学生潜在创造力，激发学生的工程设计能力。
以工作任务形式组织学生进行项目训练，培养学生团队意识，组织协调能力、创新思维能力，沟通交流能力，自我学习能力、分析问题和解决问题的能力。
通过学习，学生能够掌握锅炉与锅炉房的基本知识，为今后继续学习锅炉打下结实的基础。
教学目标能力（技能）目标知识目标素质目标1．具有分析气体燃料基本特性的能力。
1．掌握燃气的组成成分。
2．掌握燃气的基本特性（体积分数；平均密度；比体积；相对密度；粘度；临界参数；体积热容；着火温度；爆炸极限；发热量；华白数）1．挖掘学生潜在创造力，激发学生的自主学习积极性；2．培养学生的与人交流、与人合作的能力，培养学生解决问题、自我学习能力。
任务与案例任务：根据教学内容，掌握燃气的组成成分及基本特性。
案例：1. 利用教材的内容进行理论学习。
重点难点及解决方法重点：1.燃气的组成成分及基本特性。
难点：无参考资料《锅炉与锅炉房设备》夏喜英主编哈尔滨工业大学出版社《锅炉及锅炉房设备》杜渐主编中国电力出版社《工业锅炉设备》丁崇功主编机械工业出版社工具与媒体计算机、打印机、录像、课件、图纸、笔、橡皮、专业相关资料等。
授课教案一、气体燃料的基本概念1.气体燃料：指在常温、常压下保持气态的燃料，简称燃气。
2.燃气的特点：易点火、易燃烧、易操作、易实现自动调节，而且燃烧产物中无废渣和废液，烟气中SO x和NO x的含量少。
燃气是最理想的洁净燃料。
二、燃气的组成1.可燃组分一氧化碳(CO)、氢气(H2)和碳氢化合物(C m H n)等。
2.不可燃组分氮气(N2)、氧气(O2)和二氧化碳(CO2)等。
3.有害杂质1)焦油与灰尘的危害：堵塞通道、附件及燃烧器喷嘴，影响锅炉正常燃烧。
2)萘的危害：当燃气中含萘量大于燃气温度相应的饱和含萘量时，过饱和部分的气态萘以结晶状态析出，沉积于管内而使管道流通断面减小，堵塞甚至堵死管道，造成供气中断。
3)硫化氢的危害：可燃的有害杂质，腐蚀储罐、管道、设备和燃烧器，硫化氢燃烧产生的SO2和SO3，不仅腐蚀锅炉金属受热面，而且还污染大气环境。
4)一氧化碳的危害：无色、无臭、无味、有剧毒的气体。
规定燃气中一氧化碳的体积分数应小于10%。
5)氨的危害：氨对燃气管道、设备及燃烧器起腐蚀作用。
燃烧时产生NO、NO2等有害气体，影响人体健康，并污染大气环境。
6)水分的危害：水和水蒸汽能与液态和气态碳氢化合物作用，生成固态结晶水化物，堵塞管道、阀门、仪表（流量计、压力表、液位计等）和设备（调压器、过滤器等），影响正常供气；水蒸气还能加剧O2、H2S、SO2对管道、阀门、燃烧器及锅炉金属受热面的腐蚀作用。
7)残液的危害：液化石油气中C5及C5以上的碳氢化合物组分的沸点高，在常温、常压下不能气化，而留存在钢瓶、储罐等压力容器内，称为残液。
它增加了用户更换气瓶的次数，而且增加了交通运输量。
三、燃气的基本特性1.气体燃料的体积分数：在相同温度和压力条件下，燃气中各单一组分的体积和燃气总体积的比值称为体积分数。
（示例氢气）2.燃气的平均密度：单位体积的燃气所具有的质量称为燃气的平均密度，用符号ρ表示，单位为kg/m3。
3.燃气的比体积：单位质量的燃气所占有的体积称为燃气的比体积，用符号ν表示，单位为m3/kg或Nm3/kg。
4.燃气的相对密度：燃气的平均密度与相同状态下空气的平均密度之比值称为燃气的相对密度。
（标准状态下空气的平均密度为 1.293kg/m3）5.粘度：气体燃料的粘度用动力粘度、运动粘度和条件粘度表示。
随着压力↑，燃气的粘度↑，这一特性与燃料油相同。
随温度↑，燃气的粘度↑，而燃料油的粘度随温度↑而↓。
6.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，分别用符号T c、P c、V c 表示，其单位分别为K、MPa、m3/kg。
7.燃气的体积热容1) 体积定压热容：保持燃气压力不变时，1m3燃气温度升高(或降低)1K所吸收(或放出)的热量称为气体的比定压热容。
用符号C p表示，单位为kJ/(m3?K)。
2) 体积定容热容：保持燃气容积不变时，1m3燃气温度升高(或降低)1K所吸收(或放出)的热量称为气体的比定容热容，用符号C v表示，单位为kJ/(m3?K)。
8.着火温度：燃气开始燃烧时的温度称为着火温度。
单一气体在纯氧中的着火温度比在空气中的数值低50~100℃。
一氧化气体名称氢甲烷乙炔乙烯乙烷丙烯碳着火温度673 878 813 612 698 788 733 T/K正丁戊烯戊烷苯硫化氢气体名称丙烷丁烯烷着火温度723 658 638 563 533 833 543 T/K9.爆炸极限：当可燃气体或油气与空气混合物的浓度达到某个范围时，一遇明火或温度升高到某一数值就会发生爆炸的浓度范围称为爆炸浓度极限。
例如一氧化碳与空气混合的爆炸极限为12.5%～74%。
可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度，分别称为爆炸下限和爆炸上限，这两者有时亦称为着火下限和着火上限。
在低于爆炸下限时不爆炸也不着火；在高于爆炸上限时不会爆炸，但能燃烧。
这是由于前者的可燃物浓度不够，过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延；而后者则是空气不足，导致火焰不能蔓延的缘故。
当可燃物的浓度大致相当于反应当量浓度时，具有最大的爆炸威力(即根据完全燃烧反应方程式计算的浓度比例)。
常见物质的爆炸极限见下表。
名称爆炸极限（%）名称爆炸极限（%）下限上限下限上限甲烷 5.0 15.0 戊烯 1.4 8.7乙烷 2.9 13.0 苯 1.2 8.0乙烯 2.7 34.0 氢气 4.0 75.9乙炔 2.5 80.0 一氧化碳12.5 74.2丙烷 2.1 9.5 汽油 1.4 8.0丙烯 2.0 11.7 煤油 1.4 7.5正丁烷 1.5 8.5 重油 1.2 6.0丁烯 1.6 10.0 原油 1.7 11.3戊烷 1.4 8.310.燃气的发热量1) 燃气的发热量是指标准状态下单位体积燃气完全燃烧时所放出的全部热量，用符号Q表示，单位为kJ/m3或kJ/kg。
2) 分为：高位发热量、低位发热量。
3) 燃气发热量的确定：实验方法测定或根据燃气的组分用公式进行计算。
11.华白数（W、kJ/m3）：华白指数是衡量燃气热流量大小的特性指数，也是不同类型燃料互换性的一个重要指标。
燃烧器喷嘴前压力不变时，燃具热负荷Q与燃气热值H成正比，与燃气相对密度的平方根成反比，而燃气的高热值(kJ/m3)与燃气相对密度（S）的平方根之比称为华白数。
四、燃气的分类1.天然气1)气田气（纯天然气）：从气井直接开采出来的可燃气体，其主要组分CH4的体积分数大于90%，低位发热量Q net≈36MJ/m3。
2)油田伴生气：指与石油共生的天然气，包括气顶气和溶解气两种。
油田伴生气的主要组分CH4的体积分数≥80%，乙烷及其以上烃类含量一般较高，低位发热量Q net≈48 MJ/m3。
3)凝析气田气：是一种深层的天然气，它除了含有大量的甲烷外，戊烷与戊烷以上的烃类含量较高，还含有汽油和煤油组分，低位发热量Q net≈48 MJ/m3。
4)矿井气（煤层气）：矿井气也称为矿井瓦斯，是成煤过程中的伴生气，主要组分甲烷。
甲烷的体积分数约等于30%~55%，低位发热量Q net≈12~20 MJ/m3。
2.人工燃气以煤或石油为原料，经过各种热加工过程制得的可燃气体，称为人工燃气，分为：干馏煤气、气化煤气、油制燃气、高炉煤气。
具体发热量见下表。
类型低位发热量Q net（MJ/m3）干馏煤气15~17气化煤气5~15油制燃气热裂解法35 催化裂解法17 部分氧化法10 加氢裂解法25~33.5 高炉煤气 3.8~4.23.液化石油气：以凝析气田气、石油伴生气和炼厂气（石油炼制时的副产品）为原料气，经加工而制得的可燃物，称为液化石油气。
气态液化石油气的低位发热量Q net≈92MJ/m3液态液化石油气的低位发热量Q net≈46MJ/kg4.生物气（沼气）各种有机物在隔绝空气的条件下发酵，并在微生物作用下形成的可燃气体。
低位发热量Q net≈22MJ/m3。