1、第 1 页 共 19 页中学综合学科资源库燃料家庭用气体燃料【阅读】本报讯：本市城区用气居民已达 350 万户，燃气产业形成管道煤气、液化气和天然气“三气并存”的多元结构，其用户比约为 10:3:1。到目前为止，本市已有管道煤气用户 248.46 万户，液化气用户 76 万户，天然气用户 25 万户。其中基本无毒又不易爆燃的天然气来自东海平湖油气田，今年年底日供应量可达 120 万米 3。据悉，本市专门负责能源开发的申能公司已筹划东海平湖油气田扩建工程项目。项目建成后，本市天然气日供应量可提高至 200 万米 3，天然气用户数可望超过液化气用户。摘自上海新闻晨报2000 年 8 月 10 日这
2、是一则普通的新闻报道，但传出了重要的信息，上海市区已基本普及了煤气并将扩大天然气用户。以前，上海大多数家庭使用的燃料是煤球、煤饼，从形态上看，它们是固体燃烧，基本上是直接燃煤。而现在三气并存：管道煤气、液化气和天然气，它们是气体燃料。气体燃料比固体燃料有哪些优越性呢？这三种气体燃料有什么不同？怎样把煤加工成煤气？这其中有丰富的化学知识呢！该报当天又报道了 2002 年前， “上海内环线内将建成基本无燃煤区”和“西气东输工程”的消息。这说明不仅民宅，还包括工厂企业都将改燃煤为燃气，逐步改燃管道煤气为燃天然气。本讲座中还将讨论，这一调整上海能源结构的重大举措，将对上海大气环境改善带来的影响。【知识
3、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？ 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。 气体燃料便于运输，使用方便（易点燃，易熄灭） ，且清洁卫生。 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
4、，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第 2 页 共 19 页标。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
5、 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、C 4 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/kg1
6、09 MJ/m3 38.7 MJ/m33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： 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。CO 2 CO2 CO2C 2CO 高 温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。 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。CH 2O COH 2 高 温第 3 页 共 19 页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。 干馏煤气（焦炉气）：即煤干馏得到的气体，其
7、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）H 2O（液）285.5kJCH4（气）2O 2（气）CO 2（气）2H 2O（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
8、 液态水变成水蒸气所吸热的热量。H2（气）十 1/2 O2（气） H 2O（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）CO 2（气）282.5kJ2CO（气）O 2（气）2CO 2（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 25，1.013105Pa 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
9、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。例题：某种水煤气，CO 和 H2 的体积比为 11，此外还有 10的不可燃成分，试通过燃烧热计算这种水煤气的近似热值（MJ/m 3） 。 （假设为标准状况）解：查表可知，H 2 和 CO 的燃烧热分别为 285.5kJ/mol 和 2825kJ/mol。假设该水煤气处于标准状况，1m 3 水煤气所含 H2 和 CO 的物质的量为：1000(110%)50%/22.420.1(mol)。该种水煤气的热值：20
10、.1(285.5282.5) 1.1410 4kJ/m311.4MJ/m 3。【专题导读】1管道煤气中三种可燃成分作用的比较分析。可以从热值贡献、燃烧性能和生产成本等方面加以比较。热值贡献比较：管道煤气中，氢气的含量最高，其热值贡献是否最大呢？我们要作具体的计算才能回答这一问题。先根据三种成分的大体比例确定 l 个含量数值，如 H2 50，CO 15，CH 4 18，然后作近似计算。燃烧 1m3 管道煤气，其中第 4 页 共 19 页H2 产生的热量：285.51000 50%/22.46.3710 3kJ；CO 产生的热量：282.5100015%/22.41.8910 3kJ；CH4 产生
11、的热量：889.5100018%/22.47.1510 3kJ；由此可知，CH 4 的含量虽然只占 18，但热值的贡献最大。H 2 占 50，其热量贡献仍低于 CH4，CO 的热值贡献最小。燃烧性能比较：气体的燃烧性能与该气体的扩散速度有关，H 2、CO 和 CH4 中，H2 的相对分子质量最小，气体密度最小，故而有最大的扩散速度和最好的燃烧性能。平时实验中，可以观察到 H2 的火焰很长，而燃烧平稳。管道煤气中 50的 H2 保证了良好的燃烧火焰。生产成本比较：从生产角度看，发生炉煤气的成本最低，干馏煤气的成本最高，我们可以理解为；CO 成本低，CH 4 的成本高。如果在煤气中增加 CO 的含
12、量，固然可以降低煤气的价格，但 CO 有毒，故此做法不可取。恰恰相反，煤气厂技术人员曾致力于降低 CO 含量的努力，即把 CO 转换成 H2（COH 2O CO2H 2） ，但要提 高 温高成本。每降低 5的 CO，代以 H2，煤气的成本要增加 1020。当时因主要任务是普及煤气而没有采用。2用液化气烧水煮饭为什么比管道煤气快？从经济上看，哪一种更合算？从发热量看，液化气是比管道煤气更优质的气体燃料。在钢瓶中的液化气是液体，打开阀门减压后变成气体使用，因此液化气有两个热值：47.3 MJ/kg 和 109MJ/m3。用后者数值与管道煤气（热值为 15.6MJ/m3）比较，管道煤气只有液化气的
13、1/61/7，所以用液化气烧水煮饭要快得多了。 （思考：为什么使用液化气时，容易产生热量浪费？）按目前的市场价格，管道煤气每立方米（即 1 个“字” ）0.90 元，液化气每千克2.6 元。讨论哪一种合算，应该换算到产生相同发热量的消耗量，或者计算 1 千克液化气相当于多少立方米的管道煤气。结论应该是差不多的。3推广使用天然气为什么是城市燃气的发展方向？管道煤气是一种清洁燃料，然而这是相对于住宅、居室环境而言的，从城市大环境看，没有改善城市大气的污染程度。原因很简单，制造煤气要燃煤，使用煤气没有降低城市的煤炭消耗量。原来一家一户煤球炉的废气仅仅变成由数家煤气厂排放而已。液化气是发热量高的优质清
14、洁燃料，但液化气使用不便，且要消耗宝贵的石油资源，天然气则是一种既有管道煤气的方便，又有液化气无毒、发热量高的优点的燃料，所以，推广使用天然气的是城市燃气产业的发展方向。【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，抓紧建设燃气电第 5 页 共 19 页厂，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
15、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
16、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。【小实验】煮沸一定质量水消耗煤气量的测定实验目的学会测定煤气量的方法，分析多次实验得到提高热利用率的各种方法。学会用对比实验得到结论的科学方法。利用家庭条件，自己设计实验步骤，完成实验报告。实验步骤（参考）1取 23L 冷水（可用 1.25L 普通塑料饮料瓶作量器）加入锅中，记录煤气表读数。点燃煤气，并将煤气灶内外圈火焰都开足，记录时间（精确至秒） ，当水沸腾（有大量气泡出现时） ，熄灭火焰，记录所用时间和煤气表读数。在相同条件下，用内外圈中火、内圈小火加热，再做 2 次实验。把实验结果记录于下表。煤气表读数加热前 加热后 煤气消耗量
17、 消耗时间大 火中 火小 火2在煤气灶上加防风罩或用保温锅，在其余条件相同的情况下，再做上述实验。自行设计实验条件、实验步骤并自己编制记录表。3比较实验数据的差异，分析造成差异的原因，得到节约煤气，提高热利用率的方法，并完成实验报告。【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。第 6 页 共 19 页能源有多种分类。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、
18、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请同学们自行完成此题的解答。2气体燃
19、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
20、下限） 17.387.1 6.373.8 4.726.5 210 56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 516，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，第 7 页 共 19 页CH42O 2CO 22H 2O则，天然气完全燃烧所需氧气体积为 2L。爆炸最剧烈时天
21、然气的体积分数： 1009.5。1.0/【科学观察】管道煤气、液化气的燃烧器的比较燃烧器是燃气灶具的核心部件，它的设计必须确保燃气的完全燃烧，同时可以灵活地控制火焰大小。管道煤气和液化气的灶具不能混用，这是什么原因呢？让我们来观察它们的燃烧器的差异。观察目的：观察液化气燃烧器上有一个调节空气量的风门（叫洞风板） ，对比管道煤气的燃烧器，并分析设计的原因。观察内容和记录：管道煤气燃烧器 液化气燃烧器相同点 燃气均分为两个进口，分散后形成大圈、小圈火焰，开关能灵活控制进气量。不同点无风门，空气在火焰燃烧时由周围空气供给。有风门，点燃前，空气已部分进入液化气中。观察讨论：为什么液化气燃烧器上必须有一
22、个风门？液化气的成分是 C3、C 4 的烃类，完全燃烧时所需空气量很大。例如， 1L 丁烷燃烧（2C 4H1013O 28CO 210H 2O）需氧气 6.5L，折合成空气约为 31L，丁烷燃烧时，单单靠火焰周围的空气来支持燃烧，必定要发生不完全燃烧。因此液化气在灶具上燃烧所需要的空气是分两次供给的。一次空气量由风门调节，约占全部需要量的 70%。空气引进后，在燃烧器内部混合。二次空气量则由火焰周围的空气供给。请同学们自己回答，为什么管道煤气燃烧器不一定要有这一风门的设计。思考：使用液化气，为什么开始时风门要调小些，使用一段时间（若干天）后，风门要调大些？提示：液化气中 C3 或分的沸点比 C
23、4 成分低，开始使用时排出的 C3 成分多。【综合问题】 （供向理科方向发展的学生学习）例题：煤气中毒是 CO 中毒，其原因是 CO 与血红蛋白（Hb）结合成 HbCO，使血红蛋白失去输送 O2 功能的缘故。 CO 进入血液后有如下平衡：COHb O2 O2HbCO，试回答：（1）煤气中毒病人，可以通过进入高压氧舱的方法来救治，请用化学平衡的原理加以说明。（2）已知该反应平衡时， 的比值是一个不受浓度影响的常数，22OHbcC第 8 页 共 19 页在人体体温 37下，该常数为 220。又已知当血液中 的比值大于 0.02 时，2OHbcC人的智力会受到损伤，此时 c（CO）与 c（O 2）的
24、比值应小于 。（3）抽烟时，进入肺部的空气中 c（CO）10 4 mol/L，c（O 2）10 2 mol/L，则 c（HbCO）为 c（HO 2）的 倍，据此分析长期抽烟对人智力的影响。分析与解：（1）在高压氧舱中，煤气中毒患者吸入氧气浓度较高的空气后，COHbO 2O2HbCO，平衡向左移，使 HbCO 转化为 HbO2，恢复血红蛋白的输氧功能。（2）因为 220，是一个常数，当 0.02 时，22HbcC 2HbcC 220 9.0910 5 ，即小于该值时，人的智力还未受到2Oc20.损伤。（3）将 c（CO） 、C（O 2）数位代入常数表示式：2202610OHbcC则 220 0.
25、022（即 0.022 倍） 。2Hbc2因为 0.0220.02，故从这一角度分析，长期抽烟，对人的智力有损伤作用。【基本训练】1H 2 的热值为 108MJ/m3，试转换成以 kg 计量的热值（MJ/kg） ，同时分析 H2 作为一种高能燃料的原因。 （参考热值：汽油 46MJ/kg、煤油 21.8MJ/kg，供比较）2假设某城镇为急于普及煤气，把小化肥厂的合成氨原料气，增加 H2 含量后（H 2 50、N 2 50）输入管道供民用，试计算这种煤气的热值是否达到 15.6kJ/m3 的标准？（本专题家庭用气体燃料由本站导师 陆惊帆教授 撰写）【综合练习】一门窗紧闭的厨房内一旦发生煤气大量泄
26、漏，极容易发生爆炸。当你从室外进入厨房嗅到极浓的煤气异味时，在下列操作中，你认为最合适的是 A 立即开启抽油烟机排出煤气，关闭煤气源B 立即打开门和窗，关闭煤气源C 立即打开电灯，寻找泄漏处第 9 页 共 19 页D 上述三者可同时进行【参考答案】B本题是化学知识与物理知识的综合，也是科学知识与日常生活的结合，涉及到人身安全问题，有一定的实际意义。选项 A 和 C 的错点是，开启抽油烟机或电灯时，在“开关”处有电火花发生，这火花立即会点燃“开关”处的煤气，从而引发室内的煤气爆炸，后果非常严重。二读下表，完成回答1由表分析， 是一种理想的燃料。2试简述这种理想能源的主要优点。 ； ； 。几种常见
27、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（C 8H18 为例） 5 472【参考答案】1汽油2 汽油充分燃烧后基本没有环境污染 汽油是液体燃料，运输及携带比较方便 汽油的热值高三读下列材料，完成回答以汽油和柴油为燃料的机动车所排放的尾气，是当今城市大气污染物的主要来源。有资料显示，在北京的冬季采暖期，大气中 74的烃、63的一氧化碳和 37的氮氧化物来自汽车尾气；而在非采暖期，上述三种污染物的比例更高，分别上升到79、80和 55。要治理城市大气污染，改用新型燃料是有效途径之一。1在冬季采暖期，汽车尾气排放的三种污
28、染物的比例有所下降，原因是 2大气中的烃及一氧化碳是由于汽车燃料与空气中的氧气反应不完全而造成的。很多机动车（特别是以柴油为燃料的汽车）在行驶过程中不仅噪音巨大，而且还排放大量黑烟。若某机动车燃料为 CxHy， ，写出它不完全燃烧分别生成“黑烟”和一氧化碳的两个化学方程式： 。并进一步说明：为什么柴油机车排放的尾气比汽油机车排放的尾气更加浓黑？ 3若改用新型燃料作为机动车的动力来源，以此减轻城市大气污染，最好用 A 无烟煤 B 压缩天然气 C 电瓶 D 液化石油气【参考答案】1冬季采暖期，有新的污染源加入大气污染，才导致汽车尾气污染所占比例的下第 10 页 共 19 页降。采暖主要用的是煤为燃
29、料，煤的不完全燃烧以及其中所含的杂质都会导致空气污染程度加大2 因为柴油的烷烃值更高3B四某城市的管道煤气是水煤气和焦炉煤气混合而成的。某住宅四楼（高约10m）一居民家厨房发生管道煤气泄漏爆炸事故，急救人员迅速赶到现场，护送伤员及煤气中毒者去医院抢救。1生产水煤气的化学反应方程式是 2管道煤气致人中毒的主要原因是什么？3调查人员发现该住户的煤气泄漏点的泄漏速度为 6.0g/min，而从调查中发现煤气是在达到室内空气质量的 6时爆炸的，问爆炸时煤气已泄漏了约几个小时（假定厨房内空气体积为 25m3）？4爆炸时厨房温度可迅速升高到 1800，估算此时产生的气体压强约为多少个大气压？5产生的高压可摧
30、毁门窗及其他室内设施，调查人员在损坏的窗外草地上发现飞得最远的玻璃碎片离该楼墙脚的距离为 14m，试估算气体爆炸初期的速度（经验表明该速度约是玻璃碎片飞出时最大速度的 100 倍） 。【参考答案】1略2略35.375h47atm510m/s五容积为 0.672 L 的密闭容器中，有一定质量的氧气和甲烷的混合气（其中含有甲烷气体 0.48g） 。混合气的温度为 546K、压强为 4atm，容器壁上还有一点火装置。已知每 mol 甲烷完全燃烧生成液态水时放出热量 890kJ，每 mol 无烟煤完全燃烧放出热量403.2kJ，试求：1混合气中甲烷气体的压强多大？2混合气中所含氧气的质量多大？3完全燃烧无烟煤和甲烷放出相同热量时，所释放的 CO2 的百分比多大？并说明由此可得出什么结论？【参考答案】12atm20.96g3220通过上述计算可见，燃烧煤炭大量释放的 CO2，将加剧热岛效应，使全球升温，
