混合氣 (液化天然氣+空氣)摻混焦爐煤氣
作為過渡氣源在株洲市應用的技術可行性
株洲市城市燃氣設計研究所 (412007) 熊興國
摘要 本文通過對液化天然氣供氣優越性的論證、混合氣 (液化天然氣+空氣)摻混焦爐煤氣技術可行性的理論分析及有選擇性的實驗檢驗，證明采用混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦爐煤氣作為過渡氣源來擴大株洲市的供氣能力是一種投資省、見效快、遠近結合的好途徑。
關鍵詞 過渡氣源摻混華白數燃燒勢爆炸極限摻混比例燃氣互換性
引言
株洲市煤制氣工程始建于1985年，目前擁有32孔JN28—89雙聯下噴復熱式焦爐2座，外供城市煤氣12萬m3／日。至2003年12月底，株洲市累計發展居民用戶77 428戶，工業用戶、商業用戶及采暖與空調用戶約120戶。現有制氣能力已滿足不了城市發展的要求。川渝天然氣預計2005年7月1日到達株洲，在川渝天然氣入株前一年半左右的時間里，株洲煤氣計劃發展居民用戶15 000戶，商業、工業等其他用戶30戶左右。因此解決好天然氣人株前用戶發展的氣源問題，已成為株洲煤氣的當務之急。
2 株洲市選擇液化天然氣(LNG)作為補充氣源擴大供氣能力的優越性
首先，LNG工業在世界上已有60多年的歷史，技術十分成熟，已形成了從液化、儲存、運輸、氣化到終端利用的一整套工藝。世界LNG工業近30年保持持續高速發展態勢，年均增長率在20%以上，使LNG在國際天然氣貿易總量中所占比例上升到25%以上。在我國，隨著經濟持續快速增長，LNG的開發和利用越來越受到重視。目前中原油田和新疆廣匯已相繼建成了LNG生產廠。在珠江三角洲、福建和長江三角洲已規劃進口LNG并建成LNG接收終端，有好幾個城市已建成作為調峰或過渡氣源的LNG儲存氣化站并投產使用，效果十分顯著。可見，株洲市選擇LNG作為補充氣源是具有技術基礎和氣源保證的。
其次，LNG運輸方便，既可采用火車運輸，也可采用汽車運輸。由于液化天然氣的體積僅為氣態時天然氣體積的1/620，因而儲運手段十分靈活，機動性強，效率高。
再者，LNG工藝流程簡單，建設投資省，占地少，工期短，見效快，方式靈活。LNG價格平穩，氣化成本低，經濟上亦十分合理。特別是LNG氣化能力調節方便，不僅適用于季節調峰，亦適用于日調峰，使LNG既可用于目前摻混焦爐煤氣擴大供氣能力，也可在川渝氣入株后用作調峰氣源。可以說在株洲市以LNG作為補充氣源擴大供氣能力是一種既解燃眉之急，又能長遠發揮投資效益的合理選擇。
3 混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦爐煤氣作為過渡氣源必須滿足燃氣互換的要求
任何燃具都是按一定的燃氣成份設計的，當燃氣成份發生改變時，燃具燃燒器的熱負荷、一次空氣系數、燃燒穩定性、火焰結構、煙氣中一氧化碳含量等燃燒工況就會發生改變。如果燃氣達不到互換性的要求，則需要對燃具燃燒器進行更換或對可調部份進行調整，以使燃具適應新的燃氣。如果在川渝天然氣入株前為了擴大供氣能力而以混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦爐煤氣作為過渡氣源時，即對千家萬戶的燃燒器予以更換或調整，將造成人力、物力、財力的極大浪費，并且將使調峰的靈活性和機動性大大降低，如果摻混氣對焦爐煤氣具有互換性，則可節省大量人力、物力、財力，并使LNG調峰的靈活性、機動性大大增強。由此可見，混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦爐煤氣作為過渡氣源擴大供氣能力時滿足燃氣互換性的要求，其意義十分重大。
4 混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦爐煤氣后燃氣互換性的理論計算
4.1株洲市基準氣、摻混氣特性參數
4.1.1株洲市焦爐煤氣特性參數(基準氣)，見表l。
低熱值：16.95MJm3
高熱值：1956MJm3
容重：0.51kgms
華白數： 31.1M/Jm.
燃燒勢：110
4.1.2新疆廣匯液化天然氣發展有限公司LNG特性參數，見表2。
低熱值：42.40MJ/m3
高熱值：46．.57 MJ/m3
平均密度：0.872 k/m.
相對密度：0.675(空氣為1)
華白數：56.70MJ/m。
燃燒勢：42.41
4.1.3河南中原綠能高科有限公司LNG特性參數，見表3。
低熱值：36.99 MJ/m。
高熱值：41.02 MJ/ms
平均密度：0.746kg/m3
相對密度：0.675(空氣為1)
華白數：53.996MJ/m.
燃燒勢：40.88
4．2混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦爐煤氣摻混比例計算
株洲市基準氣為焦爐煤氣，如果采用混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦爐煤氣為置換氣，且置換氣能滿足燃氣互換性要求的話，則置換氣的華白數應控襯在±10％范圍內，即27.9MJ/mS-34．2MJ/m3之間，燃燒勢應控制在72-128之間。根據上述要求采用計算機進行計算確定液化天然氣、空氣、焦爐煤氣的摻混比例。符合燃氣互換性要求的摻混比例理論計算結果見表4、5，從表中可知，在焦爐煤氣體積百分比含量在59%-100%之間時，LNG體積百分比摻混量必須在上限與下限之間方能滿足燃氣互換性的要求。根據以上數據繪成圖1、圖2所示摻混比例圖，從圖中可以看出，摻混比例在LNG上限線與下限線之間時，摻混氣可以滿足燃氣互換性的要求。
4.3混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦爐煤氣后爆炸極限校核
選擇表4、表5中摻混后空氣含量最高的四種情況進行校核計算，以判斷混合氣中可
表一
|
組份名稱 |
CO2 |
CmHn |
O2 |
CO |
H2 |
CH4 |
N2 |
合計 |
|
體積比(%) |
3 |
2.1 |
0.2 |
8 |
56 |
23.7 |
7 |
100 |
表二
|
組份名稱 |
CH4 |
C2H6 |
C3H8 |
N2 |
其他 |
合計 |
|
體積比(%) |
82.3 |
11.2 |
4.6 |
0.8 |
1.1 |
100 |
表三
|
組份名稱 |
C3H8 |
C2H6 |
i-C4 |
n-C4 |
i-C5 |
n-C5 |
苯 |
CH4 |
N2 |
合計 |
|
體積比 (%) |
0.34 |
3.36 |
0.05 |
0.05 |
0.01 |
0.008 |
0.002 |
95.88 |
0.3 |
100 |
|
LNG下限 |
17 |
17 |
16 |
16 |
15 |
14 |
14 |
|
LNG上限 |
25 |
25 |
24 |
23 |
23 |
22 |
21 |
|
焦爐煤氣 |
73 |
74 |
75 |
76 |
77 |
78 |
79 |
|
LNG下限 |
13 |
13 |
12 |
11 |
11 |
10 |
10 |
|
LNG上限 |
21 |
20 |
19 |
19 |
18 |
17 |
17 |
|
焦爐煤氣 |
80 |
81 |
82 |
183 |
84 |
85 |
86 |
|
LNG下限 |
9 |
8 |
8 |
7 |
7 |
6 |
5 |
|
LNG上限 |
16 |
16 |
15 |
14 |
14 |
13 |
12 |
|
焦爐煤氣 |
87 |
88 |
89 |
90 |
91 |
92 |
93 |
|
LNG下限 |
5 |
4 |
3 |
3 |
2 |
2 |
1 |
|
LNG上限 |
12 |
11 |
10 |
10 |
9 |
8 |
7 |
|
焦爐煤氣 |
94 |
95 |
96 |
97 |
98 |
99 |
100 |
|
LNG下限 |
O |
0 |
0 |
0 |
O |
O |
O |
|
LNG上限 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
|
焦爐煤氣 |
59 |
60 |
61 |
62 |
63 |
64 |
65 |
|
LNG下限 |
30 |
27 |
23 |
21 |
19 |
19 |
18 |
|
LNG上限 |
31 |
30 |
30 |
29 |
26 |
26 |
26 |
|
焦爐煤氣 |
66 |
67 |
68 |
69 |
70 |
71 |
72 |
|
LNG下限 |
17 |
17 |
16 |
16 |
15 |
14 |
14 |
|
LNG上限 |
25 |
25 |
24 |
23 |
23 |
22 |
21 |
|
焦爐煤氣 |
73 |
74 |
75 |
76 |
77 |
78 |
79 |
|
LNG下限 |
13 |
13 |
12 |
11 |
11 |
10 |
10 |
|
lNG上限 |
21 |
20 |
19 |
19 |
18 |
17 |
17 |
|
焦爐煤氣 |
80 |
81 |
82 |
83 |
84 |
85 |
86 |
|
LNG下限 |
9 |
8 |
8 |
7 |
7 |
6 |
5 |
|
LNG上限 |
16 |
16 |
15 |
14 |
14 |
13 |
12 |
|
焦爐煤氣 |
87 |
88 |
89 |
90 |
91 |
92 |
93 |
|
LNG下限 |
5 |
4 |
3 |
3 |
2 |
2 |
1 |
|
LNG上限 |
12 |
11 |
10 |
10 |
9 |
8 |
7 |
|
焦爐煤氣 |
94 |
95 |
96 |
97 |
98 |
99 |
i00 |
|
LNG下限 |
0 |
O |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
LNG上限 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
0 |
是否在混合氣爆炸上限 2倍以上的安全范圍內。
4.3.l1新疆廣匯LNG：焦爐煤氣：空氣=20：62：18
經理論計算，混合氣組成及特性參數如表6。
高熱值：21.195 MJ／m。
低熱值：18.722 MJ／m3
容重：0.72 kg]m3
比重：0.558(空氣為1)
華白數：28.37MJ／m。
燃燒勢：72.04
爆炸上限：26.335爆炸下限：4．767
該混合氣中可燃物含量為81.4%,高于爆炸上限26.335%,倍以上。
4.3.2新疆廣匯LNG：
焦爐煤氣：空氣=19：63：18
經理論計算，混合氣組成及特性參數如表7。
高熱值：20．94 MJ／m。
低熱值：18．48 MJ／m。
容重：0．72 kg／m。
比重：0．555(空氣為1)
華白數：28．097 MJ／m。
燃燒勢：72．73
爆炸上限：26．66
爆炸下限：4．765
該混合氣中可燃物含量為81．4％
高于爆炸上限26．66％-"倍以上。
4．3．3河南中原LNG：焦爐煤氣：空氣=21：62：17
經理論計算，混合氣組成及特性參數如表8。
高熱值：21．74(MJ／m3)
低熱值：18．28(MJ，m3)
容重：0．69(kg／m3)
比重：0．535(空氣為1)
華白數：28．35 MJ／m。
燃燒勢：72．51
爆炸上限：26．39
爆炸下限：4．87
該混合氣中可燃物含量為82．6％，高于爆炸上限26．39％-"倍以上。
4．3．4河南中原LNG：
焦爐煤氣：空氣=20：63：17
經理論計算，混合氣組成及特性參數如表9。
高熱值：20．53(MJ／m3)
低熱值：18．08(MJ／m勺
容重：0．69(kg／m3)
比重：0．533(空氣為1)
華白數：28．11 MJ／m。
燃燒勢：73．20
爆炸上限：26．73
爆炸下限：4．87
該混合氣中可燃物含量為82．4％，
高于爆炸上限26．73％-倍以上。
5混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦
表六
|
組份 |
CO |
CmHn |
02 |
CO |
H2 |
CH4 |
N2 |
C2H6 |
C3Hs |
合計 |
|
體積(%) |
2.099 |
L323 |
3.906 |
5.04 |
35.28 |
30.568 |
18.782 |
2.128 |
0.874 |
100 |
表七
|
組份 |
CO2 |
CmHn |
O2 |
CO |
H2 |
CH4 |
N2 |
C2H6 |
C3H8 |
合計 |
|
體積 (%) |
2.099 |
1.323 |
3.906 |
4.96 |
34.72 |
34.8288 |
17.833 |
0.7056 |
0.0714 |
100 |
表八
|
組份 |
CO2 |
CmHn |
O2 |
CO |
H2 |
CH4 |
N2 |
C2H6 |
C3H8 |
合計 |
|
體積(%) |
1.86 |
1.3272 |
3.694 |
4.96 |
34.72 |
34.8288 |
17.833 |
0.7056 |
0.0714 |
100 |
表九
|
組份 |
CO2 |
CmHn |
O2 |
CO |
H2 |
CH4 |
N2 |
C2H6 |
C3H8 |
合計 |
|
體積 (%) |
1.89 |
1.347 |
3.696 |
5.04 |
35.28 |
34.107 |
17.9 |
0.672 |
0.068 |
100 |
爐煤氣后燃氣互換性的實驗檢驗
為了驗證上述混合氣摻混焦爐煤氣摻混比例理論計算成果的可靠性，株洲煤氣委托國家燃氣用具質量監督檢檢中心進行了燃氣互換性實驗檢驗。并經過認真分析，提出了如下檢驗要求：
A、檢驗時燃氣用具選擇株洲用量較大的“南亞”牌Jz5R.2-992E型、Jz5R.2-982A型雙眼灶及萬和”JSDl6～8C家用燃氣快速熱水器。
B、摻混比例選擇在焦爐煤氣比例一窟時，LNG摻混較少，燃燒勢和華白數較小，LNG體積含量低于表4、表5數據進行LNG摻混量下限檢驗。
5．1新疆廣匯LNG：
焦爐煤氣：空氣-9.5：78：12.5時燃氣互換性實驗檢驗結果
混合氣組成及特性參數如表10。
高熱值：19.19MJ/m3
低熱值：17.10MJ/m3
比重：0．4893(空氣為1)
華白數：27.43MJ/m3
燃燒勢：83.72
檢驗結果：無離焰、回火、黃焰產生；煙氣中CO含量Jz5R．2--982A灶具略高于標準要求，其余燃具合格。
5．2新疆廣匯LNG：
焦爐煤氣：空氣=17：65：18時燃氣互換性實驗檢驗結果
混合氣組成及特性參數如表11。
高熱值：20．10 MJ／m。
低熱值：17．97 MJ／m~
比重：0．5442(空氣為1)
華白數：27．25 MJ／m3
燃燒勢：73．30
檢驗結果：無離焰、回火、黃焰產生；煙氣中CO含量合格。
5．3河南中原LNG：
焦爐煤氣：空氣=14：70：16時
燃氣互換性實驗檢驗結果
混合氣組成及特性參數如表12。
高熱值：19.10MJ/m3
低熱值：17.03MJ/m。
比重：0.5106(空氣為1)
華白數：26.73MJ/m。
燃燒勢：77.42
檢驗結果：無離焰、回火、黃焰產生；煙氣中CO含量JZ5R．2—982A灶具略高于標準要求，其余燃具合格。
6.結語
通過以上理論分析、計算和有選擇性的實驗檢驗，我們認為：株洲市在天然氣人株前采用混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦爐煤氣作為過渡氣源，從而擴大供氣能力，進一步提高城市氣化率，在技術上是可行的，在經濟上是合理的。既能解決眼前株洲市燃氣供需矛盾，又著眼于天然氣時代的來臨。當然，在下一階段工程設計中對混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦爐煤氣的實際工藝控制摻混比例需進一步加以論證并通過實驗檢驗，以確保供氣可靠和安全。
表十一
|
組份 |
CO2 |
Cmn |
O2 |
CO |
H2 |
CH4 |
N2 |
C2H6 |
C3H8 |
合計 |
|
體積比 (%) |
2.44 |
1.64 |
2.78 |
6.24 |
43.68 |
26.31 |
15.41 |
1.06 |
0.44 |
100 |
表十二
|
組份 |
CO2 |
CmHn |
O2 |
CO |
H2 |
CH4 |
N2 |
C2H6 |
C3H8 |
合計 |
|
體積比(%) |
2.14 |
1.37 |
3.91 |
5.20 |
36.4 |
29.4 |
18.9 |
1.9 |
0.78 |
100 |
表十三
|
組份 |
CO2 |
CmHn |
O2 |
CO |
H2 |
CH4 |
N2 |
C2H6 |
C3H8 |
合計 |
|
體積比(%) |
2.1 |
0.02 |
3.5 |
5.6 |
39.2 |
30.01 |
17.58 |
0.47 |
0.05 |
100 |
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