城市燃气是由多种气体组成的混合气体,含有可燃气体和不可燃气体。其中,可燃气体有碳氢化合物（如甲烷、己烷、乙烯、丙烷、丙烯丁烷、丁烯等烃类)、氢气和一氧化碳等；不可燃成分有二氧化碳、氮气等惰性气体；部分燃气还含有氧气、水及少量杂质。
城市燃气根据燃气的来源或生产方式可以归纳为天然气、人工燃气和液化石油气三大类。其中,天然气是自然生成的,人工燃气或是由其他能源转化而成或是生产工艺的副产品,液化石油气主要来自石油加工过程中的副产气。
1.1.1 天然气
天然气主要存在于油田气、气田气、煤层气、泥火山气和生物生成气中,也有少量出于煤层。天然气又可分为伴生气和非伴生气两种。伴随原油共生,与原油同时被采出的油田气叫伴生气；非伴生气包括纯气田天然气和凝析气田天然气两种,在地层中都以气态存在。凝析气田天然气从地层流出井口后,随着压力和温度的下降,分离为气液两相,气相是凝析气田天然气,液相是凝析液,叫凝析油。
与煤炭、石油等能源相比,天然气在燃烧过程中产生的影响人类呼吸系统健康的物质（氮化物、一氧化碳、可吸入悬浮微粒)极少,产生的二氧化碳为煤的40%左右,产生的二氧化硫也少于其他化石燃料。天然气燃烧后无废渣、废水产生,具有使用安全、热值高、洁净等优势。
一般说来,天然气包括常规天然气和非常规天然气两类：其中常规天然气主要指气田气（或称纯天然气)、石油伴生气、凝析气田气,非常规天然气主要包括煤层气、页岩气、天然气水合物等。需要注意的是,常规天然气和非常规天然气资源的区分边界甚难界定,主要取决于地质条件的系列。
1)气田气、石油伴生气、凝析气田气
常规天然气主要指气田气（或称纯天然气)、石油伴生气、凝析气田气。
（1)气田气
气田气是指由气田开采出来的纯天然气,组分以甲烷（CH4)为主,还含有少量的乙烷C2 H6、丙烷C3 H8等烃类及二氧化碳（CO2)、硫化氢H2 S、氮（N2)和微量的氦（He)、氖（Ne)、氩（Ar)等气体。我国四川开采的天然气中甲烷含量一般不少于90%,热值为34.75～36.00 MJ/m3。
（2)石油伴生气
石油伴生气是地层中溶解在石油或呈气态与原油共存,伴随着原油被同时开采的天然气。石油伴生气又分为气顶气和溶解气两类。气顶气是不溶于石油的气体,为保持石油开采过程中必要的井压,这种气体一般不随便采出。溶解气是指溶解中石油中,伴随着石油开采得到的气体。石油伴生气中甲烷含量一般占65%～80%,此外还有相当数量的乙烷（C2 H6)、丙烷（C3 H8)、丁烷（C4 H10)、戊烷（C5 H12)和重烷等。其低热值一般为41.5～43.9 MJ/m3。我国大庆、胜利等油田产的天然气中大部分都是石油伴生气。
（3)凝析气田气
凝析气田气是指含有少量石油轻质馏分（如汽油、煤油成分)的天然气。当凝析气田气从气田采出来后,经减压降温,凝结出一些液体烃类。例如,我国新疆柯克亚的天然气就属于凝析气田气,华北油田供北京输送的天然气中,除前面提高的伴生气外,还有相当一部分是经过净化处理的凝析气田气。凝析气田气的组成大致和石油伴生气相似,但是它的戊烷（C5 H12)、己烷（C6 H14)等重烃含量比伴生气要多,一般经分离后可以得到天然汽油甚至轻柴油。凝析气田气甲烷的含量约为75%,低热值为46.1~48.5 MJ/m3。
根据存在的状态,常规天然气还可以分为压缩天然气、液化天然气。
（1)压缩天然气、液化天然气
压缩天然气（Compressed Natural Gas,简称CNG)是天然气加压并以气态储存在容器中。压缩天然气除了可以用油田及天然气田里的天然气外,还可以人工制造生物沼气（主要成分是甲烷)。压缩天然气与管道天然气的组分相同,主要成分为甲烷（CH4)。压缩天然气是一种最理想的车用替代能源,其应用技术经数十年发展已日趋成熟。它具有成本低,效益高,无污染,使用安全便捷等特点,正日益显示出强大的发展潜力。天然气每立方燃烧热值为8000~8500 kcal[1]（大卡),压缩天然气的比重为2.5 kg/m3,每千克天然气燃烧热值为20000 kcal。
（2)液化天然气
液化天然气（Liquefied Natural Gas,简称LNG),主要成分是甲烷（CH4),无色、无味、无毒且无腐蚀性。其体积约为同量气态天然气体积的1/600,质量仅为同体积水的45%左右。其制造过程是先将气田生产的天然气净化处理（脱水、脱烃、脱酸性气体),经一连串超低温（-160℃)液化后,利用液化天然气船或LNG罐车运送,使用时重新气化。
①LNG的组成：LNG是以甲烷为主要组分的烃类混合物,其中含有通常存在于天然气中少量的乙烷、丙烷、氮等其他组分。
②LNG的密度：LNG的密度取决于其组分,通常为430～470 kg/m3,但是在某些情况下可高达520 kg/m3。其密度还是液体温度的函数,其变化梯度约为1.35 kg/m3·℃。其密度可以直接测量,但通常是用经过气相色谱法分析得到的组分通过计算求得（推荐使用ISO 6578中确定的计算方法)。
③LNG的温度：LNG的沸腾温度取决于其组分,在大气压力下通常为- 166～-157℃。沸腾温度随蒸气压力的变化梯度约为1.25×10-4℃/Pa。LNG的温度通常用ISO 831中确定的铜/铜镍热电偶或铂电阻温度计测量。
④LNG的蒸发：LNG作为一种沸腾液体大量的储存于绝热储罐中。任何传导至储罐中的热量都会导致一些液体蒸发为气体,这种气体称为蒸发气,其组分与液体的组分有关。一般情况下,蒸发气包括20%的氮,80%的甲烷和微量的乙烷。其含氮量是液体LNG中含氮量的20倍。当LNG蒸发时,氮和甲烷首先从液体中汽化,剩余的液体中较高相对分子质量的烃类组分增大。
对于蒸发气体,不论是温度低于-113℃的纯甲烷,还是温度低于-85℃含20%氮的甲烷,它们都比周围的空气重。在标准条件下,这些蒸发气体的密度大约是空气密度的0.6倍。
⑤LNG的闪蒸（Flash)：如同任何一种液体,当LNG已有的压力降至其沸点压力以下时,例如经过阀门后,部分液体蒸发,而液体温度也将降到此时压力下的新沸点,此即为闪蒸。由于LNG为多组分的混合物,闪蒸气体的组分与剩余液体的组分不一样。
作为指导性数据,在压力为1～2个大气压时的沸腾温度条件下,压力每下降1个大气压,1 m3的液体产生大约0.4 kg的气体。
⑥LNG的翻滚（Rollover)：翻滚是指大量气体在短时间内从LNG容器中释放的过程。除非采取预防措施或对容器进行特殊设计,翻滚将使容器受到超压。在储存LNG的容器中可能存在两个稳定的分层或单元,这是由于新注入的LNG与密度不同的底部LNG混合不充分造成的。在每个单元内部液体密度是均匀的,但是底部单元液体的密度大于上部单元液体的密度,随后,由于热量输入容器中而产生单元间的传热、传质及液体表面的蒸发,单元之间的密度将达到均衡并且最终混为一体。这种自发的混合称为翻滚,而且与经常出现的情况一样,如果底部单元液体的温度过高（相对于容器蒸气空间的压力而言),翻滚将伴随着蒸气逸出的增加。有时这种增加速度快且量大。在有些情况下,容器内部的压力增加到一定程度将引起泄压阀的开启。
潜在翻滚事故出现之前,通常有一个时期其气化速率远低于正常情况。因此应密切监测气化速率以保证液体不是在积蓄热量。如果对此有怀疑,则应设法使液体循环以促进混合。通过良好的储存管理,翻滚可以防止。最好将不同来源和组分不同的LNG分罐储存,如果做不到,在注入储罐时应保证充分混合用于调峰的LNG。高含氮量在储罐注入停止后不久也可能引起翻滚。经验表明,预防此类型翻滚的最好方法是保持LNG的含氮量低于1%,并且密切监测气化速率。
2)非常规天然气
非常规天然气主要包括页岩气、煤层气、天然气水合物等。
①页岩气（Shale Gas)：是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中,以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集。在页岩气藏中,天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、高碳泥岩、泥质粉砂岩甚至砂岩地层中,因此,从某种意义来说,页岩气藏的形成是天然气在烃源岩中大规模滞留的结果,属于自生、自储、自封闭的成藏模式。其中页岩中的吸附气量和游离气量大约各占50%。页岩气的主要成分和热值等气体性质与常规天然气相似,以甲烷（CH4)为主,含有少量乙烷（C2 H6)、丙烷（C3 H8)。截至2007年年底,全球页岩气资源量为456.24×1012m3,占全球非常规气资源量的近50%,主要分布在北美（占23.8%)、中亚和中国（占21.9%)、拉美（占13.1%)、中东和北非（占15.8%)。
②煤层气（Bed Coal Gas)：是一种以吸附状态为主,生成并储存在煤系地层中的非常规天然气（随采煤过程产出的煤层气混有较多空气俗称煤矿瓦斯)。煤层气的主要成份是甲烷（CH4),但相对于常规天然气含量较低,可用作燃料和化工产品的上等原料,具有很高的经济价值。资料显示,国际上74个国家煤层气资源量268万亿m3,主要分布在俄罗斯、加拿大、中国、澳大利亚、美国、德国、波兰、英国、乌克兰、哈萨克斯坦、印度、南非等12个国家,其中美国、加拿大、澳大利亚、中国已形成煤层气产业。煤层气资源位列前三位的国家分别为俄罗斯、加拿大、中国。我国煤层气资源丰富,据煤层气资源评价,我国埋深2000 m以浅煤层气地质资源量约36万亿m3,主要分布在华北和西北地区。
③天然气水合物（Natural Gas Hydrate,简称Gas Hydrate)：是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中,由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。形成天然气水合物的主要气体为甲烷（CH4),对甲烷分子含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物（Methane Hydrate)。因天然气水合物的外观像冰一样而且遇火即可燃烧（见图1.1),所以又被称作“可燃冰”或“固体瓦斯”“气冰”。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下,一单位体积的气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体,因而其是一种重要的潜在未来资源。
虽然页岩气和煤层气的储量相当大,但是对开采技术要求较高,开采经济效益不高,随着近些年开采技术的提高,美国等国家大量开采并使用页岩气和煤层气,同时国内的石油企业也开始着手页岩气和煤层气的开采；天然气水合物作为城镇燃气的一种,近几年发展较为迅速,其中尤其是日本的天然气水合物发展最为迅猛,日本已基本完成了对其周边海域的天然气水合物调查和评价,并圈定了12块天然气水合物矿集区,并在2010年进行试生产,开发其领海内的天然气水合物。
图1.1 天然气水合物燃烧
1.1.2 人工燃气
人工燃气主要是指通过能源转换技术,将煤炭或重油转换而成的煤制气或油制气。主要是由可燃成分氢、甲烷、一氧化碳、乙烷、丙烷、丙烯以及中碳氢化合物和不可燃成分氧、二氧化碳以及氮组成的混合气体。
人工燃气的主要物理化学性质有：
①易燃易爆性：人工煤气同天然气一样具有易燃易爆的特性。
②毒性：人工煤气中含有一氧化碳。一氧化碳是有毒气体,它和血红蛋白的结合力为氧气与血红蛋白的结合力的200～300倍。血红蛋白与一氧化碳结合,红血球便失去输送氧气的能力,人体组织便陷入缺氧状态,最终导致窒息死亡,这就是通常所说的一氧化碳中毒。
③比重：人工燃气比空气、液化石油气轻。
根据制气原料和加工方式的不同,可生产多种类型的人工燃气,如干馏煤气、气化煤气、油制气及高炉煤气等。
（1)干馏煤气
煤在隔绝空气的情况下经加热干馏所得的燃气叫干馏煤气,也叫焦炉煤气。其主要组分为甲烷（CH4)和氢气（H2),低热值为16.7 MJ/m3。焦炉煤气是焦化工业的副产品,原用作焦炉加热的自给燃料,如今很多炼焦厂采用低品味燃气为焦炉加热,代出焦炉煤气供作城市燃气。一直以来,焦炉煤气是我国城市燃气的重要气源之一。
（2)气化煤气
气化煤气分为压力气化煤气、水煤气、发生炉煤气三种,是指用煤或焦炭等固体燃气作原料,利用空气、水蒸气或二者的混合物作气化剂,在煤气发生炉相互作用制取的煤气。气化煤气主要组分为氢气与一氧化碳（CO),适宜于用作燃料气和化工原料的合成气。其热值一般在13 MJ/m3以下。
压力气化煤气是采用纯氧和水蒸气为气化剂制取的煤气,主要组分为氢气和甲烷,低热值为15.4 MJ/m3。水煤气则是利用水蒸气作气化剂制取的煤气,主要组分为一氧化碳和氢气,低热值为10.5 MJ/m3。发生炉煤气主要组分为一氧化碳和氢气,低热值为5.4 MJ/m3。
（3)油制气
油制气是用石油系原料经热加工制成的燃气总称。采用的加工工艺有蒸汽转化法、热裂解法、部分氧化法和加氢气化法等。有些工艺在国内化工原料制造行业已有使用,而生产城市燃气的方法尚局限于以重油或渣油采取热裂解法的工艺。目前使用的是循环式热裂解法或循环式催化热裂解法。热裂解气以甲烷（CH4)、乙烯（C2 H4)和丙烯（C3 H6)为主要组分,热值为41～42 MJ/Nm3。催化热裂解气含氢最多,也含有甲烷和一氧化碳,其热值与干馏煤气相接近,为17～21 MJ/Nm3。
（4)高炉煤气
高炉煤气是高炉炼铁过程中产生的煤气,热值低,只供给热炉使用。其主要组分是一氧化碳（CO)和氮气（N2),热值为4～4.2 MJ/Nm3。
1.1.3 液化石油气
液化石油气的主要组分为丙烷（C3 H8)、丙烯（C3 H6)、丁烷（C4 H10)、丁烯（C4 H8)等石油系轻烃类,其主要成分是含有3个碳原子和4个碳原子的碳氢化合物,通常被称为碳三、碳四,均为可燃物质。
液化石油气在常温常压下无色无味,呈气态,用降温或增压的方法可使其转变为液态,使用前在减压或升温,使之转变为气态。从液态转变为气态时,其体积将膨胀250～300倍。
液态液化石油气比水轻,一般为水重的0.5～0.6倍；气态的液化石油气密度较大,是空气的1.5～2.0倍,泄漏后易聚集在低洼处,不易扩散。液态液化石油气比空气重,为空气的1.5～2倍重。
液化石油气是一种高热值、无污染的能源。其充分燃烧的产物为二氧化碳和水,它的火焰温度高达2000℃,其热值是天然气的3倍,人工煤气的5倍。气态的液化石油气着火温度比较低,为360～460℃,液化石油气的浓度达到1.5%～9.5%时即可遇明火爆炸。液化气一旦出现泄漏极易发生危险,故液化气为易燃、易爆和可燃气体。液化石油气在空气中的浓度增至一定水平时会使人麻醉发晕,严重时致人死亡。液化石油气的危害性主要有三种：a.易燃易爆；b.冻伤；c.有毒。
1.1.4 燃气的基本性质
1)燃气的热值
燃气的热值是指1 m3燃气完全燃烧所放出的热量,单位为MJ/m3。对于液化石油气,热值单位也可采用kg/m3。
（1)高热值和低热值
燃气的热值分为高热值和低热值。指1m3燃气完全燃烧后其温度冷却至原始温度时,燃气中的水分经燃烧生成的水蒸气也随之冷凝成水并放出汽化潜热,将这部分汽化潜热计算在内求得的热值称为高热值；如果不计算这部分汽化潜热,则为低热值。如果燃气中不含氢或氢的化合物,燃气燃烧时烟气中不含水,就只有一个热值了。可见,高、低热值数值之差为水蒸气的汽化潜热。
在一般燃气应用设备中,由于燃气燃烧排放的烟气温度较高,烟气中的水蒸气是以气态排除的,仅仅利用燃气的低热值。因此,在工程实际中一般以燃气的低热值作为计算依据。
（2)热值的计算
单一燃气的热值是根据燃气燃烧反应的热效应算得。燃气通常是含有多种组分的混合气体,其热值可按下式计算：
式中 Q h,Q l——燃气的高热值、低热值,MJ/m3；
Q hi,Q li——燃气中各组分的高热值、低热值,MJ/m3；
yi——各单一气体的容积成分,%。
2)汽化潜热
汽化潜热是单位质量的液体变成与其处于平衡状态的蒸气所吸收的热值。汽化潜热与压力和温度有关,其关系可用下式计算：
