混合氣 (液化天然氣+空氣)摻混焦?fàn)t煤氣
作為過渡氣源在株洲市應(yīng)用的技術(shù)可行性
株洲市城市燃?xì)庠O(shè)計(jì)研究所 (412007) 熊興國(guó)
摘要 本文通過對(duì)液化天然氣供氣優(yōu)越性的論證、混合氣 (液化天然氣+空氣)摻混焦?fàn)t煤氣技術(shù)可行性的理論分析及有選擇性的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),證明采用混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦?fàn)t煤氣作為過渡氣源來擴(kuò)大株洲市的供氣能力是一種投資省、見效快、遠(yuǎn)近結(jié)合的好途徑。
關(guān)鍵詞 過渡氣源摻混華白數(shù)燃燒勢(shì)爆炸極限摻混比例燃?xì)饣Q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(lián)下噴復(fù)熱式焦?fàn)t2座,外供城市煤氣12萬m3/日。至2003年12月底,株洲市累計(jì)發(fā)展居民用戶77 428戶,工業(yè)用戶、商業(yè)用戶及采暖與空調(diào)用戶約120戶。現(xiàn)有制氣能力已滿足不了城市發(fā)展的要求。川渝天然氣預(yù)計(jì)2005年7月1日到達(dá)株洲,在川渝天然氣入株前一年半左右的時(shí)間里,株洲煤氣計(jì)劃發(fā)展居民用戶15 000戶,商業(yè)、工業(yè)等其他用戶30戶左右。因此解決好天然氣人株前用戶發(fā)展的氣源問題,已成為株洲煤氣的當(dāng)務(wù)之急。
2 株洲市選擇液化天然氣(LNG)作為補(bǔ)充氣源擴(kuò)大供氣能力的優(yōu)越性
首先,LNG工業(yè)在世界上已有60多年的歷史,技術(shù)十分成熟,已形成了從液化、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、氣化到終端利用的一整套工藝。世界LNG工業(yè)近30年保持持續(xù)高速發(fā)展態(tài)勢(shì),年均增長(zhǎng)率在20%以上,使LNG在國(guó)際天然氣貿(mào)易總量中所占比例上升到25%以上。在我國(guó),隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng),LNG的開發(fā)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(chǎn)廠。在珠江三角洲、福建和長(zhǎng)江三角洲已規(guī)劃進(jìn)口LNG并建成LNG接收終端,有好幾個(gè)城市已建成作為調(diào)峰或過渡氣源的LNG儲(chǔ)存氣化站并投產(chǎn)使用,效果十分顯著?梢,株洲市選擇LNG作為補(bǔ)充氣源是具有技術(shù)基礎(chǔ)和氣源保證的。
其次,LNG運(yùn)輸方便,既可采用火車運(yùn)輸,也可采用汽車運(yùn)輸。由于液化天然氣的體積僅為氣態(tài)時(shí)天然氣體積的1/620,因而儲(chǔ)運(yùn)手段十分靈活,機(jī)動(dòng)性強(qiáng),效率高。
再者,LNG工藝流程簡(jiǎn)單,建設(shè)投資省,占地少,工期短,見效快,方式靈活。LNG價(jià)格平穩(wěn),氣化成本低,經(jīng)濟(jì)上亦十分合理。特別是LNG氣化能力調(diào)節(jié)方便,不僅適用于季節(jié)調(diào)峰,亦適用于日調(diào)峰,使LNG既可用于目前摻混焦?fàn)t煤氣擴(kuò)大供氣能力,也可在川渝氣入株后用作調(diào)峰氣源?梢哉f在株洲市以LNG作為補(bǔ)充氣源擴(kuò)大供氣能力是一種既解燃眉之急,又能長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)揮投資效益的合理選擇。
3 混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦?fàn)t煤氣作為過渡氣源必須滿足燃?xì)饣Q的要求
任何燃具都是按一定的燃?xì)獬煞菰O(shè)計(jì)的,當(dāng)燃?xì)獬煞莅l(fā)生改變時(shí),燃具燃燒器的熱負(fù)荷、一次空氣系數(shù)、燃燒穩(wěn)定性、火焰結(jié)構(gòu)、煙氣中一氧化碳含量等燃燒工況就會(huì)發(fā)生改變。如果燃?xì)膺_(dá)不到互換性的要求,則需要對(duì)燃具燃燒器進(jìn)行更換或?qū)烧{(diào)部份進(jìn)行調(diào)整,以使燃具適應(yīng)新的燃?xì)。如果在川渝天然氣入株前為了擴(kuò)大供氣能力而以混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦?fàn)t煤氣作為過渡氣源時(shí),即對(duì)千家萬戶的燃燒器予以更換或調(diào)整,將造成人力、物力、財(cái)力的極大浪費(fèi),并且將使調(diào)峰的靈活性和機(jī)動(dòng)性大大降低,如果摻混氣對(duì)焦?fàn)t煤氣具有互換性,則可節(jié)省大量人力、物力、財(cái)力,并使LNG調(diào)峰的靈活性、機(jī)動(dòng)性大大增強(qiáng)。由此可見,混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦?fàn)t煤氣作為過渡氣源擴(kuò)大供氣能力時(shí)滿足燃?xì)饣Q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?fàn)t煤氣后燃?xì)饣Q性的理論計(jì)算
4.1株洲市基準(zhǔn)氣、摻混氣特性參數(shù)
4.1.1株洲市焦?fàn)t煤氣特性參數(shù)(基準(zhǔn)氣),見表l。
低熱值:16.95MJm3
高熱值:1956MJm3
容重:0.51kgms
華白數(shù): 31.1M/Jm.
燃燒勢(shì):110
4.1.2新疆廣匯液化天然氣發(fā)展有限公司LNG特性參數(shù),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(duì)密度:0.675(空氣為1)
華白數(shù):56.70MJ/m。
燃燒勢(shì):42.41
4.1.3河南中原綠能高科有限公司LNG特性參數(shù),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(duì)密度:0.675(空氣為1)
華白數(shù):53.996MJ/m.
燃燒勢(shì):40.88
4.2混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦?fàn)t煤氣摻混比例計(jì)算
株洲市基準(zhǔn)氣為焦?fàn)t煤氣,如果采用混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦?fàn)t煤氣為置換氣,且置換氣能滿足燃?xì)饣Q性要求的話,則置換氣的華白數(shù)應(yīng)控襯在±10%范圍內(nèi),即27.9MJ/mS-34.2MJ/m3之間,燃燒勢(shì)應(yīng)控制在72-128之間。根據(jù)上述要求采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算確定液化天然氣、空氣、焦?fàn)t煤氣的摻混比例。符合燃?xì)饣Q性要求的摻混比例理論計(jì)算結(jié)果見表4、5,從表中可知,在焦?fàn)t煤氣體積百分比含量在59%-100%之間時(shí),LNG體積百分比摻混量必須在上限與下限之間方能滿足燃?xì)饣Q性的要求。根據(jù)以上數(shù)據(jù)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(shí),摻混氣可以滿足燃?xì)饣Q性的要求。
4.3混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦?fàn)t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(jìn)行校核計(jì)算,以判斷混合氣中可
表一
組份名稱 |
CO2 |
CmHn |
O2 |
CO |
H2 |
CH4 |
N2 |
合計(jì) |
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(jì) |
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(jì) |
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?fàn)t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?fàn)t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?fàn)t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?fàn)t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?fàn)t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?fàn)t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?fàn)t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?fàn)t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?fàn)t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?fàn)t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(nèi)。
4.3.l1新疆廣匯LNG:焦?fàn)t煤氣:空氣=20:62:18
經(jīng)理論計(jì)算,混合氣組成及特性參數(shù)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(shù):28.37MJ/m。
燃燒勢(shì):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?fàn)t煤氣:空氣=19:63:18
經(jīng)理論計(jì)算,混合氣組成及特性參數(shù)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(shù):28.097 MJ/m。
燃燒勢(shì):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?fàn)t煤氣:空氣=21:62:17
經(jīng)理論計(jì)算,混合氣組成及特性參數(shù)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(shù):28.35 MJ/m。
燃燒勢(shì):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?fàn)t煤氣:空氣=20:63:17
經(jīng)理論計(jì)算,混合氣組成及特性參數(shù)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(shù):28.11 MJ/m。
燃燒勢(shì):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(jì) |
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(jì) |
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(jì) |
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(jì) |
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?xì)饣Q性的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)
為了驗(yàn)證上述混合氣摻混焦?fàn)t煤氣摻混比例理論計(jì)算成果的可靠性,株洲煤氣委托國(guó)家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量監(jiān)督檢檢中心進(jìn)行了燃?xì)饣Q性實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。并經(jīng)過認(rèn)真分析,提出了如下檢驗(yàn)要求:
A、檢驗(yàn)時(shí)燃?xì)庥镁哌x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?xì)饪焖贌崴鳌?
B、摻混比例選擇在焦?fàn)t煤氣比例一窟時(shí),LNG摻混較少,燃燒勢(shì)和華白數(shù)較小,LNG體積含量低于表4、表5數(shù)據(jù)進(jìn)行LNG摻混量下限檢驗(yàn)。
5.1新疆廣匯LNG:
焦?fàn)t煤氣:空氣-9.5:78:12.5時(shí)燃?xì)饣Q性實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果
混合氣組成及特性參數(shù)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(shù):27.43MJ/m3
燃燒勢(shì):83.72
檢驗(yàn)結(jié)果:無離焰、回火、黃焰產(chǎn)生;煙氣中CO含量Jz5R.2--982A灶具略高于標(biāo)準(zhǔn)要求,其余燃具合格。
5.2新疆廣匯LNG:
焦?fàn)t煤氣:空氣=17:65:18時(shí)燃?xì)饣Q性實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果
混合氣組成及特性參數(shù)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(shù):27.25 MJ/m3
燃燒勢(shì):73.30
檢驗(yàn)結(jié)果:無離焰、回火、黃焰產(chǎn)生;煙氣中CO含量合格。
5.3河南中原LNG:
焦?fàn)t煤氣:空氣=14:70:16時(shí)
燃?xì)饣Q性實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果
混合氣組成及特性參數(shù)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(shù):26.73MJ/m。
燃燒勢(shì):77.42
檢驗(yàn)結(jié)果:無離焰、回火、黃焰產(chǎn)生;煙氣中CO含量JZ5R.2—982A灶具略高于標(biāo)準(zhǔn)要求,其余燃具合格。
6.結(jié)語(yǔ)
通過以上理論分析、計(jì)算和有選擇性的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),我們認(rèn)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?fàn)t煤氣作為過渡氣源,從而擴(kuò)大供氣能力,進(jìn)一步提高城市氣化率,在技術(shù)上是可行的,在經(jīng)濟(jì)上是合理的。既能解決眼前株洲市燃?xì)夤┬杳埽种塾谔烊粴鈺r(shí)代的來臨。當(dāng)然,在下一階段工程設(shè)計(jì)中對(duì)混合氣(液化天然氣+空氣)摻混焦?fàn)t煤氣的實(shí)際工藝控制摻混比例需進(jìn)一步加以論證并通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),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(jì) |
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(jì) |
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(jì) |
體積比(%) |
2.1 |
0.02 |
3.5 |
5.6 |
39.2 |
30.01 |
17.58 |
0.47 |
0.05 |
100 |