2.3 气体燃料的种类和性质
气体燃料在各种工业炉窑、冶金炉及锅炉中得到广泛应用。它具有以下优点。
①燃烧方法比较简单，且能达到较高的燃烧效率。
②易于控制燃烧过程，使炉温、炉内气体成分等参数达到生产工艺要求。
③可对燃料实现高温预热，这不仅利于回收烟气余热，且能达到较高的燃烧温度。
④对已净化的气体燃料，其烟气中几乎无固体灰渣，这不仅大大减少了设备的磨损，而且降低了对环境的污染。
⑤某些气体燃料实际上是生产过程的副产品，如加以利用，可达到节能的效果。
但在使用气体燃料时，应注意以下问题。
①对管道的腐蚀。由于NH3在水中呈碱性，H2S、SCN、SO2及CO2在水中呈酸性，O2在水中会引起氧化性腐蚀，因此，当燃料中含有上述成分并含有水分时将会腐蚀管道，为此应去除燃料中所含的水分。
②对人的毒性。在气体燃料中常含有H2S、SCN、CO、SO2、NH3、C6H6等有毒成分，当其超过毒性极限时可致人死亡，在使用气体燃料时必须重视这一问题。
③爆炸极限范围。气体燃料中的某些成分与空气达到一定的混合比例时，就可能达到爆炸极限范围。在燃烧装置停止工作时，由于燃料供气阀关闭不严或阀门损坏，就有可能使燃料漏入燃烧装置并与空气混合而达到爆炸极限，当再次启动点火时就会引起爆炸事故。因此，除了要求阀门气密以外，在燃烧装置启动点火前，应先用空气吹扫。
所有气态燃料都由单一的气体混合组成，其中主要成分为一氧化碳、氢、甲烷等。气态燃料中经常含有其他气体成分，如二氧化碳、氮气、水蒸气、氧气等。其他气体含量越高，气态燃料的热值就越低。气态燃料按热值来分有高热值气态燃料（每立方米25kJ以上）、中热值（每立方米9～15kJ）以及低热值（每立方米4kJ左右）气态燃料。燃气轮机上最常用也是最好用的是天然气。所有气态燃料的共同优点是热安定性好，比较干净（和煤比较，烟粒子少、灰分少）和比较好烧（低热值气体燃料除外）。
气体燃料一般分为天然气体燃料和人造气体燃料。天然气体燃料包括天然气、石油气与矿井瓦斯气等。人造气体燃料则是指对固体燃料和液体燃料进行加工制得的各种煤气和裂解气。
2.3.1 天然气体燃料
（1）天然气
天然气是一种由碳氢化合物、硫化氢、氮和二氧化碳等组成的混合气体，它是由地下开采出来的可燃气体。根据其来源又可分为由气田开采而来的气田天然气，以及在油田中随石油一同开采出来的油田天然气（又称伴生天然气）。我国是利用天然气最早的国家，我国四川有丰富的天然气资源，在各油田中也有相当丰富的油田天然气。
气田天然气的主要成分为甲烷（CH4），含量可达80%～98%（按容积计），此外还有少量的烷族重碳氢化合物（CnH2n+2），如乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）（它们的含量为0.1%～7.5%）和硫化氢（约1%以内）等，其他如氮（0～5%）和二氧化碳（约1%以内）等不可燃气体则为数很少。气田天然气是一种无色、稍带腐烂臭味的气体，它的密度为0.73～0.80kg/m3，比空气轻，易于着火燃烧，燃烧所需空气量较大，为9～14m3/m3。因甲烷及其他碳氢化合物在燃烧时能析出炭粒，故火焰明亮，辐射能力强。
天然气的成分随产地可以有很大不同，氮气和二氧化碳含量可以高达15%，因而天然气的热值也可以有很大差异，高的有40kJ（每立方米），低的可以只有33kJ。含H2S量比较高的称为酸的，而完全不含硫的称为甜的。含H2S量高的需要净化后才能使用。有的天然气产地流出的天然气含有相当的水分、矿物杂质、油分，都要经过分离、净化后才由气罐送到使用单位。
在天然气中各种碳氢化合物的含量最高达90%，因此，它是一种发热量最高的优质燃料。我国四川地区拥有丰富的天然气资源。天然气的开采成本很低，是一种廉价的燃料。天然气除了作为工业燃料以外，还是化学工业（化肥、塑料、合成橡胶、染料、医药以及人造石油等）的宝贵原料，天然气经过调质后也可作为城市煤气。
天然气的燃烧是很干净的，火焰黑度低。在有些工业炉窑中需增加火焰辐射换热，为提高天然气火焰黑度，通常采取的措施有：向火焰喷射重油或焦油；通过预热使部分天然气热分解析出游离碳来提高黑度等。天然气可以液化加以利用。
近年来，由于加压与低温技术的发展，天然气液化后进行远距离输送也达到了工业应用阶段。其成本虽然较管道输送（天然气）高一些，但它不受管线限制，也有独特的优点，因而可视作管道输送的一种补充。
石油气也称石油伴生气，是随采油而从油井中得到的。石油气除了主要含有甲烷（CH4）外，还含有较多的烷族重碳氢化合物，这是油田气与气田天然气的主要不同之处。
油田的石油气的产量很可观，这也是天然气的一个重要来源。石油气绝大多数是湿性气，需要分离丙烷以上成分才宜输出作燃料，这样供应的石油气已同干性天然气没有什么区别，因而它已成为天然气的一个组成部分。
（2）液化石油气和气体汽油
液化石油气是一种炼油厂在石油提炼过程的副产品，其主要成分为含有3～4个碳原子的烃类，主要是丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等轻烃类。这些烃类在常温下加压（约1.6MPa）可使其液化而贮存于高压罐中，在使用时，经减压又可使之气化，因此它既具有液体燃料便于贮存和运输的优点，又具有气体燃料便于使用的特点，故可作为点燃式内燃机的燃料，此时内燃机性能可超过燃用汽油的内燃机。
此外，在开采石油和天然气时，从石油气、天然气中分离出的丙烷以上成分称为气体汽油。气体汽油液化后再分离，戊烷以上的烷烃成分为天然气，丙烷、丁烷的则称液化石油气。
液化石油气在气态时的
，液化后的
，属高发热量燃料。液化石油气是一种优质工业及民用燃料，也是一种重要化工原料。
2.3.2 人造气体燃料
人造气体燃料通常是某种工艺过程（如炼焦、炼铁）中的副产物，它的组成随各种过程而异。一般来说，人造气体燃料中的不可燃组分较多，尤其是氮，可达60%。此外，还有水蒸气、煤粒和灰粒等杂质。
人造气体燃料有焦炉煤气、高炉煤气、水煤气、发生炉煤气、液化煤气、地下气化煤气以及其他煤炭气化的煤气等。
（1）焦炉煤气
焦炉煤气是煤炭在炼焦时所挥发出的可燃气体，因此它是冶金工业炼焦的副产品。1t煤在炼焦过程中可得到730～780kg焦炭，25～45kg焦油及300～350m3焦炉煤气。刚由炼焦炉出来的煤气尚含有焦油蒸气、水蒸气等气态化合物，称为荒焦炉煤气。通常1m3的焦炉煤气中含有300～500g水、100～125g焦油及其他可作为化工原料的气态化合物。将焦油蒸气和作为化工原料的成分回收后，并将水分去除，即得作为燃料的焦炉煤气。
焦炉煤气中含有大量的氢（46.0%～61.0%）和甲烷（21%～30%），所含惰性气体成分较低（仅占8%～16%），因此，它是一种发热量很高的优质燃料
。焦炉煤气是冶金联合企业的重要燃料之一，通常是将它与燃烧性能较差、发热量低的高炉煤气或发生炉煤气混合，配制成发热量为8400kJ/m3的混合煤气，用于加热炉和平炉等工业炉。
虽然焦炉煤气是一种优质燃料，但由于从焦炉煤气中尚可提炼出焦油、苯、萘、氨等重要化工产品，因此它也是一种化工原料，直接将其作为燃料使用是不够经济的。
（2）高炉煤气
高炉煤气是炼铁高炉排出的废气，是炼铁过程中的副产品。在高炉中通常每消耗1t焦炭可产生3800～4000m3干高炉煤气。由高炉直接引出的高炉煤气含有大量粉尘（达60～80g/m3），必须经过除尘后才能使用。各种设备对含尘量的限制为：蒸汽锅炉500mg/m3以下；燃气轮机1mg/m3以下；平炉、热风炉、加热炉20～50mg/m3；炼焦炉10mg/m3以下。
高炉是钢铁联合企业中燃料的巨大消费者，其燃料的热量约有60%转移到高炉煤气中，因此，充分有效地利用高炉煤气对冶金工业节能有重要意义。
高炉煤气中由于含有大量不可燃气体（达70%），因此
很低，仅4000～4800kJ/m3，其主要可燃成分为CO（25%～31%）和H2（2%～3%），而甲烷含量很少，同时含有大量的不可燃气体，如N2（55%～58%），CO2（9.0%～15.5%）等，故燃烧速率较低。由于高炉煤气是一种燃烧温升较低且难于燃烧的气体，需采用预热手段才能使其达到较高的燃烧温度；将它与其他燃烧性能较好的气体，如焦炉煤气掺混使用也是一种有效的技术措施。
（3）转炉煤气
用纯氧顶吹转炉炼钢是目前钢铁工业中广泛采用的炼钢方法，在炼钢过程中会产生大量的转炉煤气（每冶炼1t钢约产生70m3转炉煤气）。转炉煤气的主要成分为CO，含量达45%～65%，其
，所以是一种较好的燃料，在冶金工业中常作为混铁炉、热风炉、钢包烘烤设备的燃料，也可作为化工原料用于生产染料、草酸、甲酸等产品。
（4）发生炉煤气
在高温下气化剂与煤发生化学反应，可使煤转化为可燃气体，这一过程称为煤的气化。目前常用的气化剂有空气、水蒸气、空气和水蒸气三种。由此而产生的煤气称为空气发生炉煤气、水煤气以及混合发生炉煤气。
空气发生炉煤气的主要可燃成分为CO和H2，但由于其中含有较多的不可燃气体，因此CO和H2的含量就相对较少，故其发热量不高，属于低热值煤气。在水煤气中因CO和H2的含量相对较高，与炼焦炉煤气同属高热值煤气。它一般不作为锅炉燃料用，而是作为工业炉的高级燃料和化工原料。但是在冶金工业和其他工业中最常用的工业炉燃料却是空气/水蒸气混合发生炉煤气（有时就简称发生炉煤气），它的发热量介于上述两者之间。这是因为当用空气作气化剂制取煤气时，反应温度高，易使灰渣熔化，阻塞气流，影响气化过程的正常进行。另外空气发生炉煤气发热量太低，不能满足高温工业炉的要求，故未被广泛应用。水煤气发热量虽高，但因制取工艺和设备比较复杂，故作为工业炉燃料亦未得推广。所以，最常用的办法是就在空气中加入适量的水蒸气，在高温条件下由于水蒸气分解以及与碳进行还原反应，需要吸收大量热量，这就避免了反应区温度过高，同时又增加了煤气中的可燃组分氢，因此在工业上获得了普遍采用。空气/水蒸气混合发生炉煤气的组成与发热量和所采用煤种与使用的化学工艺有关。作为原料的煤种主要是烟煤，有时亦采用褐煤及无烟煤。
（5）地下气化煤气
对某些不宜开采的薄煤层及混杂大量硫和矿物杂质的煤矿，可利用地下气化的方法使其转化为可燃气体——地下气化煤气。这是一种最经济，最合理利用煤矿资源的方法。
地下气化煤气组成变化范围较大，其
，属低热值煤气。
（6）裂解气
裂解气是对液体燃料加工制得的人造气体燃料，主要有炼厂气、热裂解气与裂解煤气等几类。
炼厂气是炼油厂在进行各种处理时得到的各种副产气的总称。这些气体由碳氢化合物与少量氢气组成，发热量很高。因含有丙烷以上的烷烃和乙烯以上的烯烃较多，因此现在一般是将炼厂气先分离出烯烃与丙烷以上成分后把尾气输出作为燃料。也有的炼油厂将炼厂气直接液化输出作为燃料，习惯上也称这种气为“液化石油气”，但这种气体含有烯烃等成分，同前面所说的液化石油气不同。
裂解气是将油料或某些烷烃气体在700℃以上的高温条件下进行裂解得到的气体。热裂解不用催化剂，加热温度在800℃以上。石油化工领域常用热裂解制取烯烃等基本有机原料，燃料工业领域则以热裂解气作为其他煤气的增热成分或提取烯烃后将尾气输出作为燃料。
为提高气化效率，得到含氢量多的生成气作为城市煤气，燃料制造业还应用以裂解为基础的水蒸气转化法、部分氧化法、加氢转化法等方法制取煤气，这种煤气也称为裂解煤气。以裂解煤气作为城市煤气时，对多数裂解煤气中的CO还要进行处理（在催化剂作用下转换为H2），然后脱除CO2，发热量不足的还要增热，才能输出供使用。
（7）改制煤气
它不是单独的煤气种类，而是为了特殊用途对一些煤气进行加工处理，使之具有某些特性的改制气，即所谓“派生的煤气”。几种常见的改制煤气有增热煤气、城市煤气等。
气体燃料燃烧时是暗焰还是辉焰，除同燃烧方式有关外，一个重要的决定因素是其可燃成分的组成。小炭粒是含碳可燃气体分子在所接触的氧气不充分时裂解聚集而成的，因此氢气燃烧不会出现小炭粒，而一氧化碳和甲烷等气体则可能产生，且分子中含碳原子越多产生的炭粒也越多。就单一气体燃料而言，一氧化碳的火焰辐射能力是氢气的2.4倍，甲烷的又比一氧化碳的高1倍，乙烷以上的烃类的更高。以氢气和一氧化碳为主的煤气燃烧时火焰虽不是纯粹的辉焰，但辐射能力不强，有时不能满足需要。为了提高这类煤气的辐射能力而人为地加入烃类气体组成就叫做“增碳”，所得到的煤气即为增碳煤气。
因有的煤气发热量达不到要求而向其中掺入高发热量组分就是“增热”。增热和增碳是两个概念，既有联系又有区别。增碳通常都有增热的效果，而增热则不一定能增碳。不过一般人们多用烃类气体增热，这种情况下效果就是双重的。
供城市居民生活及生产用的气体燃料习惯上被称为“城市煤气”，并非指单独某个气种，其组分并未受到严格的规定，对它主要要求发热量高（一般应为高热值燃气）、毒性成分低和热值相对稳定。
（8）氢
无色无臭气体，分子量为2.016，每立方米的质量为0.089kg，热值为10590kJ。但由于氢气很轻，所以按重量算，其热值就很高，达120170kJ/kg。在空气中可燃边界非常广，达40%～80%。氢气的火焰传播速度是各种气体燃料中最高的，氢气-空气的火焰传播速度为2.67m/s。
氢是一种很有应用前景的气体燃料，可以生产氢的水资源极其丰富，而且可以利用氢作为“能”的载体，将不能储存运输的太阳能、风能、水能及核能等能量转换成氢能，储存并输送到用户。
氢的单位质量发热量比汽油和柴油约高3倍，但单位体积的发热量只有汽油和柴油的1/4～1/3。氢的可燃界限比汽油宽。最低点火能量只有汽油的1/10。氢的自燃温度为580℃，比汽油高。氢燃烧产物是水及少量氮氧化合物，对空气污染少，故可视为一种清洁燃料。氢的火焰传播速度很高，这对于提高燃烧强化程度是很有利的。
早在20世纪20年代就已开始研究将氢应用于内燃机，至20世纪70年代对氢的研究更为广泛，目前液态氢已成为火箭发动机的燃料。氢被认为是一种良好的燃料，但目前还存在生产成本高，在储运及使用中尚有一些技术难题未解决，这就阻碍了氢作为商品燃料的应用。
（9）甲烷（CH4）
无色气体，微有葱臭，分子量为16.04，每立方米的质量为0.715kg，低位热值为 35800 kJ，在空气中的可燃浓度边界为2.5%～15%。
（10）一氧化碳（CO）
无色无臭气体，分子量为28.00，每立方米的质量为1.25kg，热值为12650kJ。在空气中的可燃边界为12.5%～80%。一氧化碳的燃烧有一个很大特点，即在没有水蒸气存在时，其着火温度高，火焰传播速度低，有少量水蒸气存在时即可降低其着火温度，提高燃烧速率。火焰为蓝色。CO性质极毒，在空气中的允许浓度为2×10-5kg/m3。
（11）生物质气
①人工沼气 利用人畜粪便、植物秸秆、野草、城市垃圾和某些工业有机废物等，经过厌氧菌发酵，可获一种可燃气体——人工沼气。人工沼气的主要成分为CH4（约占60%）及少量的CO、H2及H2S等，其
，高于一般城市煤气，属中等发热量煤气。
人工沼气原料来源广泛、价廉，在农村中可使有机肥料先制气，后肥田。
②生物质气化燃气 秸秆气化燃气是利用农作物秸秆及木本生物质，如谷壳、花生壳、芦苇、树枝、木屑等作原料，经适当粉碎后，由螺旋式给料器加入气化器，通过不完全燃烧产生的粗煤气（发生炉煤气），再经过净化除尘和除焦油等操作得到的燃气。1kg秸秆可产生2m3，燃气的热值约为5200kJ/m3。
由于气体燃料高效、清洁、方便，因此生物质气化技术的研究与开发得到了国内外的广泛重视，并取得了巨大的进展，将农林固体废弃物转化为可燃气的技术也初步实现了工业化应用。
2.3.3 气态燃料的表示方法
气态燃料有“湿成分”和“干成分”两种表示方法。所谓湿成分，是指气态燃料中包括水蒸气在内的成分，干成分则指气态燃料中已经不包括水蒸气的成分。气态燃料中所含的水蒸气在常温下都等于该温度下的饱和蒸汽量，这样当温度变化时，气体中饱和蒸汽量也随之变化，因而气态燃料的湿成分（百分组成）也出现变化。为了排除这种影响，用气态燃料的干成分来表示其化学组成。进行燃烧计算时要用气态燃料的湿成分来算（这是真正投入燃烧的），这样要依据使用时的温度，根据该温度下饱和水蒸气含量由干成分换算为湿成分。气态燃料的发热量可以由量热计测量，也可以根据化学成分计算。发热量有低热值和高热值之分。低热值指燃烧产物中水蒸气没有凝结为水的情况下的发热量，通常采用的热值都是低热值，它符合实际情况。发热量可按下式计算：
WDW=12645×CO%+10802×H%+35799×CH4%+59038×C2H4%+…+23112×H2S% kJ/m3
在气态燃料中常用到Wobbe指数（Wobbe=Q/ρ），相应于一定尺寸的气体燃料喷嘴所能通过的能量。对于一个给定的气体燃料燃烧系统，这个值只能在相对于设计值偏差5%范围内正常工作，否则要重新设计气体燃料燃烧系统。
2.3.4 气态燃料的特性
无论是天然的还是人工制造的气体燃料，一般都要经过净化处理，以清除尘埃和有害杂质。供人们使用的气体燃料大多数是净化气，因而讨论时对微量杂质气体可忽略不计。
气体燃料直接以分子状态参加反应，因而有更好的燃烧效果与热工性能，并有利于输送与自动调节，有利于进一步改善劳动条件，因而是较燃油更为理想的燃料。但需注意的是，气体燃料在使用过程中有发生爆炸与出现中毒事故的危险性。虽然事故都是因为使用不当或安全措施不严格造成的，但使用气体燃料更容易产生这种危险，因此使用气体燃料时需要采取更严格的措施来保障安全。