工業(yè)燃燒器對天然氣摻混二甲醚適應性的實驗研究

邢慧娟 秦朝葵 周 宇

（同濟大學機械與能源工程學院）

進入21世紀以來，中國天然氣的用氣量及產(chǎn)氣量均不斷增加，“十二五”期間我國將繼續(xù)提高天然氣在一次能源消費中所占的比重。與此同時，許多供氣企業(yè)面臨用氣高峰氣源不足的情況?！短烊粴饫谜摺芬?guī)定，天然氣用戶分為優(yōu)先類、允許類、限制類和禁止類。其中，居民用戶屬于優(yōu)先類，工業(yè)項目則屬于限制類或禁止類。在用氣高峰時，供氣企業(yè)需優(yōu)先保證居民用氣，將不得不對一些工業(yè)用戶停止供氣，大大降低了工業(yè)用戶使用天然氣的意愿及傾向。

二甲醚又稱甲醚，簡稱DME，是一種綠色能源［1－4］，毒性很低，無致癌性，對大氣臭氧層無損害，在大氣對流層中容易降解，既安全又環(huán)保，常溫下蒸氣壓為0．6MPa，具有與液化石油氣（LPG）相似的物性。二甲醚熱值較高（低熱值58．80MJ／m3）［5］，燃燒性能好［6－7］。若將二甲醚作為用氣高峰時的摻混氣源［8－9］，既可解決天然氣氣源不足的問題，又能拓展二甲醚市場，同時有利于環(huán)保要求。

本文通過實驗研究工業(yè)燃燒器對二甲醚摻混天然氣的適應性，旨在確定二甲醚作為摻混氣源將對工業(yè)燃燒器產(chǎn)生哪些影響、二者的最佳摻混比例如何。研究的意義在于為燃氣公司發(fā)展 “可中斷”用戶可采取哪些技術對策提供技術依據(jù)。結果表明：工業(yè)燃燒器在摻混不同比例的二甲醚時，具有較強的適應性。供氣企業(yè)若將二甲醚以適當?shù)男问脚c天然氣結合起來，可有效緩解資源限制導致的用戶拓展問題，有效地快速開發(fā)下游市場。

1 實驗內(nèi)容

1．1 實驗流程

圖1為二甲醚與天然氣摻混系統(tǒng)設計及摻混燃燒性能測試的流程圖。實驗中，天然氣（8kPa）和二甲醚經(jīng)過等壓比例裝置混合后進入燃燒器燃燒。利用膜式流量計分別測量天然氣及混合氣流量，并對其進行溫度壓力修正。燃燒器功率通過燃氣流量計算，而有效利用的能量則用火焰筒中冷卻水吸收的熱量來代表。通過煙氣分析儀測量離開火焰筒的煙氣成分。必須指出：火焰筒的結構與實際運行的鍋爐等差別很大，此處測得的熱效率僅為一種參考，不能作為真正的熱效率。

1．1．1 測試儀表

實驗中，天然氣及混合氣流量分別用CQ3000－C及BK－G2．5M膜式流量計測量，前者等級精度B級，量程0．04～6m3／h；后者等級精度B級，量程0．025～4m3／h。測試前，采用精度更高的品川濕式流量計對其標定并得出校正曲線，其精度為1／2量程以下±0．1%，1／2量程以上0．15%，量程0．002～6m3／h。使用Pt100熱電阻和U型壓力計測量天然氣溫度和壓力。使用1540D2T渦輪流量計、Pt100熱電阻測量冷卻水的流量及進出口溫度。煙氣組分利用Kane－KM9106分析儀測定，煙氣溫度利用T分度熱電偶測量。為連續(xù)監(jiān)測燃燒器在不同二甲醚摻混比例下的性能，開發(fā)了基于Lab－VIEW的虛擬儀表系統(tǒng)，所有溫度、混合氣流量及冷卻水流量均通過LabVIEW系統(tǒng)輸入電腦，煙氣組分數(shù)據(jù)由FireWorks軟件輸入電腦。

1．1．2 摻混系統(tǒng)

比例摻混裝置由電磁閥和文丘里型比例混合器組成。文丘里混合器上的天然氣壓力信號導通至電磁閥上的導壓管，二甲醚通路開啟。沒有天然氣壓力信號，則電磁閥關閉。此類比例混合裝置根據(jù)兩側壓力工作，可保持預先設定的混合比例。在總流量變化時，只要兩側進口壓力不變，即可維持兩側流量的比例不變。而且，在電磁閥上設有一個可手動調(diào)節(jié)的開關，以控制二甲醚的摻混比例。

1．1．3 火焰筒

燃燒器是一個部件而非完整的產(chǎn)品，在鍋爐或其他設備上的選用主要取決于在背壓下的功率和排放，需要專門的實驗測試裝置。本次測試用火焰筒按照歐洲標準EN676［10］制造，進行了一定的簡化，省去了煙氣導管與可伸縮火焰內(nèi)后墻，無法通過調(diào)節(jié)爐膛的長短來改變背壓的大小，但可以通過煙道擋板改變背壓，足夠考察燃燒機在鍋爐等應用場合下的性能變化情況［11］。

1．1．4 燃燒器

在選擇測試用燃燒器時，必須考慮其結構的典型性并兼顧功率。實驗采用RIELLO 40GS5強制鼓風燃燒器，額定熱功率為43kW，熱功率范圍為18～58kW，燃用天然氣時供應壓力范圍為1～4 kPa。該燃燒器采用鼓風式擴散燃燒方式，單段火運行。由于功率小，沒有配置燃氣－空氣聯(lián)動裝置，需要操作人員對空氣和天然氣系統(tǒng)單獨進行調(diào)節(jié)，根據(jù)煙氣中的O2、CO調(diào)節(jié)天然氣壓力和空氣進口面積。

1．1．5 氣相色譜儀

采用GC－920氣相色譜儀測試氣體組分及比例。儀器穩(wěn)定后，連續(xù)進標準氣檢查儀器重復性，每個組分響應值相差≤1%。以最后一次的相應組分作為隨后氣樣分析的標準，求出校正因子。從實驗管道中取得氣樣，立即進樣分析。N2、CO2、CH4和C2H6由TCD檢出，其余烴類組分由FID檢出，所有組分均由外標法定量，歸一計算出組分含量。

1．2實驗步驟

1．2．1 初始狀態(tài)點的調(diào)節(jié)

實驗選用的RIELLO 40GS5強制鼓風燃燒器功率較小，廣泛應用于小型工業(yè)加熱、鍋爐等場合，具有一定的代表性。在某個已經(jīng)調(diào)節(jié)好的狀態(tài)（即一定的背壓和空氣進口面積、天然氣壓力）下，改變背壓對天然氣和空氣的影響是不同的。因此，需選擇一個固定的背壓和功率點，作為初始狀態(tài)點。在該狀態(tài)點下，燃燒器必須在額定背壓下達到額定功率且排放良好。RIELLO 40GS5強制鼓風燃燒器的額定功率及額定背壓分別為43kW和70Pa。

初始狀態(tài)點的調(diào)節(jié)步驟如下：

（1）將火焰筒煙道上的擋板全開（即零背壓），啟動燃燒器；保持燃燒器前的天然氣壓力（2．1kPa）不變，逐漸關閉煙道上的擋板，將背壓提高到70 Pa，同時注意觀察爐膛內(nèi)的壓力；此時天然氣壓力會降低，保持火焰穩(wěn)定的同時，緩慢恢復天然氣壓力。在此過程中，背壓及天然氣壓力互相影響，需反復多次調(diào)節(jié)，方能使背壓及天然氣壓力均符合要求。

（2）觀察煙道上連接的煙氣分析儀，逐步增大燃燒器的空氣進口面積，直到CO降低到允許值之下，并且O2盡可能小。

（3）固定煙道擋板開度和空氣進口面積不變，關閉天然氣；重新啟動燃燒器，觀察在原來的供應壓力（2．1kPa）下，燃燒器的功率是否恢復到設定值及煙氣排放是否正常。必要時，仔細調(diào)節(jié)空氣進口，確認該工況點可以重復。

（4）保證冷卻水量不變，此時冷卻水溫升為0～30℃。

燃燒器實際調(diào)節(jié)的過程中，爐膛背壓、燃氣流量（燃燒器熱負荷）、測試壓力、煙氣排放四者相互關聯(lián)影響，反復調(diào)節(jié)方能達到一個平衡點，使得CO含量、過剩氧、熱負荷、背壓均達標。如此調(diào)節(jié)的目的在于最大程度地還原燃燒器在鍋爐等設備上的工作狀態(tài)。因為燃燒器未配備燃氣－空氣聯(lián)動調(diào)節(jié)機構，有時需將其自火焰筒拆下、啟動后再安裝到位。最后，將背壓調(diào)節(jié)為70Pa，實際功率38kW，此時的煙氣中O2≤3．5%且CO表現(xiàn)良好。

1．2．2 測試步驟

（1）用天然氣啟動燃燒器，在額定壓力（2．1 kPa）、指定背壓（70Pa）下工作至燃燒穩(wěn)定狀態(tài)，測試其熱負荷、燃燒穩(wěn)定性、煙氣中CO、NOx、CO2及過?？諝夂?。

（2）等壓控制比例裝置保持一定開度，減小天然氣管線上閥門2的開度，打開二甲醚管路，緩慢增加閥門3的開度，使燃燒器進口壓力恢復到額定壓力（2．1kPa）。記錄兩個膜式表的流量，以估算二甲醚與天然氣的比例；若非目標比例，則調(diào)整等壓控制比例裝置的開度，重復上述過程直至所需比例。本實驗二甲醚的測試比例分別為0、10%、20%、30%、40%、100%。

（3）在每種摻混比例下，保持燃燒器進口處的燃料總壓力（即閥門1后的壓力）處于額定壓力、背壓不變情況下，測試其熱負荷、燃燒穩(wěn)定性、煙氣中CO、NOx、CO2及過?？諝夂?、冷卻水進出口水溫及水流量。

2 實驗結果及分析

2．1 二甲醚摻混比例的確定

實驗采用兩種方法確定混合氣中二甲醚的比例：一種通過流量計讀數(shù)確定二甲醚所占比例，另一種通過氣相色譜分析結果確定摻混比例，兩種方法互相校驗。前者方便快捷，但精度低，實驗時以此粗略估計二甲醚比例，并作為控制依據(jù)；后者較為復雜，但精度較高，由色譜分析結果中混合氣內(nèi)甲烷比例φCH4－mix及純天然氣中甲烷比例φCH4－NG，可算出混合氣中二甲醚所占比例φDME－mix，計算公式如下：

表1為兩種方法分別計算的二甲醚摻混比例。取色譜結果作為計算熱值及分析的基礎數(shù)據(jù)。

2．2 燃燒穩(wěn)定性及火焰穩(wěn)定性

燃燒器穩(wěn)定運行、煙氣溫度變化不超過±5℃時，測定煙氣中CO2含量，發(fā)現(xiàn)CO2含量變化滿足穩(wěn)定要求（≤±1．5%），說明燃燒穩(wěn)定，可進行熱工測試。

通過觀火孔觀察火焰，發(fā)現(xiàn)火焰正常穩(wěn)定，沒有脫火、回火及黃焰現(xiàn)象，且燃燒器噴嘴壓力基本不變，沒有冒黑煙，說明火焰穩(wěn)定。

表1 測試中二甲醚摻混比例 （%）Table 1 Percentage of dimethyl ether blending in the test

2．3 燃燒器功率

燃燒器功率用經(jīng)過修正后的流量值與燃氣熱值相乘計算得出。混合氣體的熱值利用色譜分析結果計算得出。圖2及圖3分別是進入燃燒器的總流量及燃燒器功率隨二甲醚摻混比例的變化情況。

從圖中可以看出，隨著二甲醚摻混比例的增加，燃燒器功率基本不變。這是因為天然氣與二甲醚華白數(shù)相近，在供氣壓力不變時，隨著二甲醚摻混比例的增加，混合氣熱值升高，但進入燃燒器的總流量減少，燃燒器功率不變。

2．4 燃燒器效率

在燃燒器的實際應用（如鍋爐等）中，效率有其確定的測算方法。此處，以循環(huán)水帶走的熱量除以燃燒器內(nèi)輸入混合氣體的能量，定義為燃燒器效率。主要目的在于觀察燃燒器在一固定背壓下，改變?nèi)剂辖M分情況下的傳熱過程是否發(fā)生明顯變化。單位時間內(nèi)燃燒器內(nèi)輸入混合氣體的能量為燃燒器功率。燃燒器效率的計算公式如下：

式中：η為燃燒器效率，%；c為水的比熱容，J／（kg·K）；qm為冷卻水質(zhì)量流量，kg／s；Δt為冷卻水進出口溫差，℃；Q為燃燒器功率，W。

測試結果見圖4。

必須指出：此處的效率僅為一種非常粗略的近似判斷，并不能非常準確地反映二甲醚摻入后對火焰以及傳熱過程的影響。從圖4可看出，摻入二甲醚后，燃燒器的效率變化不超過3%，都維持在70%左右，說明改變?nèi)剂辖M分后傳熱過程并未發(fā)生明顯變化。

2．5 排放狀況

排放狀況由煙氣分析儀測定，并將測量值換算為過?？諝庀禂?shù)α＝1時的計算值，換算公式如下：

式中：CO為干煙氣中的CO濃度，α＝1，體積分數(shù)；CO′為干煙氣樣中的CO濃度測定值，體積分數(shù)；O2′為干煙氣樣中的氧濃度測定值，體積分數(shù)；其中，21為空氣中氧氣所占百分比。

式中：NOx為 干煙氣中的NO濃度，α＝1，體積分數(shù)；NOx′為干煙氣樣中的NO濃度測定值，體積分數(shù)；O2′為干煙氣樣中的氧濃度測定值，體積分數(shù)；其中，21為空氣中O2所占百分比。

保持背壓及風門不變，隨著二甲醚摻混比例的增加，過?？諝庀禂?shù)α及污染物排放情況的變化分別見圖5及圖6。

根據(jù)歐標EN676規(guī)定，工業(yè)燃燒器的燃燒排放物應滿足CO≤100mg／kWh（93×10－6）［10］，NOx≤170mg／kWh（90×10－6）［10］。從圖5及圖6可以看出，隨著二甲醚摻混比例的增加，過剩空氣系數(shù)略有上升，排放物中CO排放量逐漸減少，NOx排放量沒有固定趨勢，但均滿足環(huán)保要求。

3 結 論

本文給出了不同比例的二甲醚摻混天然氣時燃燒器的功率、效率及排放的變化，摻混比例分別為0、10%、20%、30%、40%、100%。由實驗結果可得出以下結論：

（1）二甲醚與天然氣的混合氣進入工業(yè)燃燒器燃燒，隨著二甲醚比例的增加，燃燒器功率基本不變，與燃燒天然氣時功率基本相同，且排放良好，滿足環(huán)保要求，說明工業(yè)燃燒器對二甲醚摻混天然氣具有適應性。

（2）二甲醚與天然氣的混合氣進入工業(yè)燃燒器燃燒，隨著二甲醚比例的增加，火焰筒中冷卻水吸收的熱量基本相同，燃燒器效率基本不變，說明改變?nèi)細饨M分對傳熱過程并沒有明顯的影響。

（3）二甲醚與天然氣的混合氣進入工業(yè)燃燒器燃燒，隨著二甲醚比例的增加，工業(yè)燃燒器的功率及效率基本不變，且污染排放少，說明二甲醚可以作為摻混氣源使用。然而，由于二甲醚單位熱值的價格高于天然氣，應考慮在滿足氣量的情況下盡量減少二甲醚摻混比例。

此外，因為二甲醚對橡膠密封件有一定的腐蝕性，使用二甲醚摻混天然氣時需進行針對性的管路改造，避免泄漏引發(fā)的事故。

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