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天然气和焦炉煤气热值
第一章天然气热值概述
1.1天然气的定义与组成
天然气是一种重要的化石燃料，主要由甲烷（CH4）组成，其含量通常在85%至95%之间。甲烷是一种无色、无味、无毒的气体，具有极高的燃烧热值，是天然气作为燃料的主要优势。除了甲烷之外，天然气中还含有少量的乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）以及其他非烃气体，如氮气（N2）、二氧化碳（CO2）和硫化氢（H2S）等。乙烷、丙烷和丁烷等低碳烷烃在天然气中的含量通常在1%至10%之间。
天然气的组成会因地质条件和生成环境的不同而有所差异。例如，在陆相沉积盆地中生成的天然气，其甲烷含量通常较高，而海洋沉积盆地中生成的天然气则可能含有更多的乙烷和丙烷。天然气中的非烃气体含量也会影响其热值和应用特性。例如，含有较高二氧化碳含量的天然气在燃烧时会产生更多的热量，但同时也会对环境造成一定的影响。
天然气的发现和开采历史悠久，早在公元前5世纪，人类就已经开始利用天然气作为燃料。现代天然气工业始于19世纪末，当时美国宾夕法尼亚州发现的大规模天然气田为天然气工业的发展奠定了基础。据统计，截至2020年，全球已探明的天然气储量约为200万亿立方米，其中俄罗斯、伊朗、卡塔尔和沙特阿拉伯等国家的天然气储量居世界前列。以我国为例，我国天然气储量约为38万亿立方米，近年来天然气产量逐年增长，已成为我国能源结构调整的重要方向之一。
1.2天然气的热值特性
(1)天然气的热值特性是其作为燃料的关键指标之一。天然气的热值通常以每千克或每立方米所释放的热量来衡量，单位为千焦耳（kJ）。天然气的热值范围较广，一般介于35.5至55.5兆焦耳/立方米之间。这一特性使得天然气在燃烧时能够释放出大量的热能，广泛应用于家庭取暖、工业生产、发电等领域。
(2)天然气的热值特性与其化学组成密切相关。甲烷作为天然气的主要成分，其热值较高，每千克甲烷的燃烧热值约为55.5兆焦耳。此外，天然气中乙烷、丙烷等低碳烷烃的热值也较高，但低于甲烷。因此，天然气的热值通常高于其他类型的化石燃料，如煤炭和石油。
(3)天然气的热值特性还包括其燃烧效率和环境友好性。与煤炭相比，天然气的燃烧效率更高，燃烧过程中产生的污染物更少。天然气燃烧时主要生成二氧化碳和水，而煤炭燃烧则会产生更多的硫氧化物、氮氧化物和颗粒物等污染物。因此，天然气在环境保护和能源利用方面具有显著优势，是未来能源发展的重要方向之一。
1.3天然气热值的测定方法
(1)天然气热值的测定是评估其能量含量和应用价值的重要手段。目前，国际上普遍采用的标准方法包括氧弹法、水当量法、量热法等。其中，氧弹法是最为常用的测定方法之一。氧弹法通过将一定量的天然气样品在氧弹中完全燃烧，测量燃烧过程中产生的热量，从而计算出天然气的热值。根据国际标准ISO6976，氧弹法的测量精度可以达到±0.5%。
以美国能源信息署（EIA）的数据为例，2019年美国天然气的平均热值约为55.3兆焦耳/立方米。通过氧弹法测定，一个典型的实验流程如下：首先，将天然气样品通过精密流量计计量，确保样品的体积精确到0.1升。然后，将样品注入到特制的氧弹中，氧弹内部充满氧气，通过电火花引燃天然气。燃烧过程产生的热量由热电偶测量，并通过数据采集系统记录下来。根据测得的热量，可以计算出天然气的热值。
(2)水当量法是另一种常用的天然气热值测定方法。该方法基于天然气的燃烧热与水加热至100摄氏度所需的热量相等的原则。水当量法通过测量一定量的天然气在燃烧过程中加热一定质量的水至100摄氏度所需的热量，从而计算出天然气的热值。水当量法的测量精度通常在±1%至±2%之间。
以我国某天然气处理厂为例，该厂采用水当量法测定了不同来源的天然气样品的热值。实验中，将一定体积的天然气样品燃烧，加热一定质量的水至100摄氏度。通过测量水升温所需的时间，结合水的比热容和初始温度，计算出天然气样品的热值。结果显示，该厂所处理的天然气样品热值在50.0至55.0兆焦耳/立方米之间。
(3)量热法是一种更为精确的天然气热值测定方法，包括直接量热法和间接量热法。直接量热法通过将天然气样品燃烧在一个绝热容器中，测量容器内温度的变化来确定热值。间接量热法则通过测量天然气样品燃烧前后容器内物质的物理状态变化来计算热值。量热法的测量精度通常在±0.1%至±0.5%之间。
以欧洲某研究中心的研究为例，研究人员采用间接量热法测定了不同类型的天然气样品的热值。实验中，将天然气样品燃烧在一个绝热容器中，测量燃烧前后容器内物质的物理状态变化，如质量、体积和温度等。通过对比燃烧前后数据，计算出天然气样品的热值。实验结果显示，不同类型的天然气样品热值差异较大，其中甲烷含量较高的天然气样品热值约为55.5