玻璃生產(chǎn)用戶LNG氣質(zhì)調(diào)節(jié)可行性研究

河南天倫燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司 徐維廣 趙軍鋒 王 帥

中裕城市能源投資控股(深圳)有限公司 王傳惠

我國(guó)天然氣用氣量逐年大幅增長(zhǎng)，冬季用氣高峰時(shí)期國(guó)內(nèi)普遍出現(xiàn)供氣緊張局面。為了保證居民用戶用氣，部分工業(yè)用戶不得不關(guān)停設(shè)備以滿足居民用氣的保供要求。玻璃生產(chǎn)用戶一般不允許隨意停氣。針對(duì)高峰供氣階段，液化天然氣(LNG)作為調(diào)峰及補(bǔ)充氣源發(fā)揮了巨大的作用。

LNG根據(jù)采購(gòu)來源分為進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)兩種。氣源的多樣性必然導(dǎo)致LNG氣體組分占比不同，熱值也有一定差距，而氣源熱值的不同會(huì)造成燃燒設(shè)備熱效率下降、污染物排放超標(biāo)等問題。對(duì)于大型玻璃、陶瓷等工業(yè)用戶而言，輕微的燃?xì)鉄嶂挡▌?dòng)會(huì)導(dǎo)致燃燒溫度變化，造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。本文通過各類氣源熱值分析、氣源互換性計(jì)算、氣質(zhì)調(diào)節(jié)安全性驗(yàn)證等對(duì)作為調(diào)峰氣源的LNG進(jìn)行氣質(zhì)調(diào)節(jié)的可行性分析，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 規(guī)范要求

GB 17820－2018《天然氣》中取消了“三類氣”的定義，重新定義了“一類氣”、“二類氣”的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)高位發(fā)熱值、總硫、硫化氫和二氧化碳等質(zhì)量指標(biāo)的要求均有所提高，標(biāo)準(zhǔn)參比條件下要求天然氣高位熱值應(yīng)≥31.4 MJ/m3。

對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)鈶?yīng)按燃?xì)忸悇e及特性指標(biāo)華白數(shù)分類，并應(yīng)控制華白數(shù)和熱值的范圍。GB/T 13611－2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惣盎咎匦浴分幸?guī)定，對(duì)于城鎮(zhèn)常規(guī)使用的12T天然氣規(guī)定的高熱值標(biāo)準(zhǔn)為37.78 MJ/m3，高熱值范圍應(yīng)為31.97～43.57 MJ/m3；高華白數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為50.72 MJ/m3，高華白數(shù)范圍應(yīng)為45.66～54.77 MJ/m3。本文所做的玻璃生產(chǎn)用戶LNG氣質(zhì)調(diào)節(jié)可行性論證，均是在滿足上述天然氣相關(guān)規(guī)范的前提下進(jìn)行的。

2 各類氣源的熱值

本文分別收集了各種進(jìn)口LNG、國(guó)產(chǎn)LNG和管道天然氣的氣源高位熱值數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了各類氣源的高位熱值平均數(shù)，并分別就各類熱值進(jìn)行了對(duì)比分析。

進(jìn)口LNG的高位熱值平均值為40.952 MJ/m3，國(guó)產(chǎn)LNG的高位熱值平均值為36.581 MJ/m3，國(guó)產(chǎn)管道天然氣的高位熱值平均值為37.70 MJ/m3。管道天然氣高位熱值平均值和GB/T 13611－2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴芬?guī)定的12T天然氣的標(biāo)準(zhǔn)高位熱值37.78 MJ/m3數(shù)值基本一致，數(shù)據(jù)可靠性較高。

由此得出，天然氣熱值高位熱值平均值大小一般為：進(jìn)口LNG＞國(guó)產(chǎn)管道氣＞國(guó)產(chǎn)LNG。進(jìn)口LNG高位熱值較國(guó)產(chǎn)LNG高位熱值高約12%；進(jìn)口LNG高位熱值較國(guó)產(chǎn)管道氣高位熱值高約9%；國(guó)產(chǎn)管道氣高位熱值較國(guó)產(chǎn)LNG高位熱值高約3%。經(jīng)組分對(duì)比分析，進(jìn)口LNG熱值高，一般是其C2及以上組分濃度較國(guó)產(chǎn)LNG高所致。

各類氣源的熱值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 各類氣源高位熱值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) MJ/m3

3 互換性計(jì)算

多種氣源不同比例的混輸必然導(dǎo)致氣源熱值的波動(dòng)，可能對(duì)燃?xì)飧黝愑脩粼O(shè)備的燃燒效率、污染物排放等構(gòu)成影響。國(guó)內(nèi)多位學(xué)者開展了燃?xì)饣Q性方面的理論及實(shí)踐研究，李漢勇等人[1]對(duì)陜京二線天然氣摻混LNG的灶具適配性研究結(jié)論為例，當(dāng)氣源從100%管輸天然氣替換為100%LNG時(shí)，其華白數(shù)增加了7.27%。當(dāng)LNG摻混比例提高到80%時(shí)，所有灶具的熱效率均出現(xiàn)了下降現(xiàn)象，部分灶具熱效率甚至低于50%；且CO排放指標(biāo)顯著增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的500×10－6。

我國(guó)自1987年正式推出德爾布燃?xì)饣Q性理論，提出采用華白數(shù)、燃燒勢(shì)兩個(gè)主要指標(biāo)，并輔以修正系數(shù)及黃焰指數(shù)等次要指標(biāo)來分析和判斷燃?xì)獾幕Q性[2]。相關(guān)研究表明，在進(jìn)行實(shí)際燃?xì)饣Q性應(yīng)用、燃?xì)獾呐錃庥?jì)算時(shí)，采用華白數(shù)這一關(guān)鍵指標(biāo)具有較高的準(zhǔn)確度，同時(shí)采用其他指標(biāo)作為輔助驗(yàn)證。

3.1 華白數(shù)

若兩種燃?xì)獾臒嶂岛兔芏染幌嗤?，但只要它們的華白數(shù)相等，就能在同一燃?xì)鈮毫ο潞屯蝗季呱汐@得同一熱負(fù)荷。華白數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：W——燃?xì)飧呷A白數(shù)，MJ/m3；

H——不同燃?xì)鈿庠吹母邿嶂担琈J/m3；

s——燃?xì)鈿庠吹南鄬?duì)密度(空氣相對(duì)密度為1)。

當(dāng)進(jìn)行燃?xì)鉄嶂嫡{(diào)節(jié)時(shí)，有兩種或以上氣源參與混合，因本文確定的摻混氣體為空氣，熱值為0，華白數(shù)推理公式簡(jiǎn)化為：

式中：W——混合氣的高華白數(shù)，MJ/m3；

H1——LNG氣體的高熱值，MJ/m3；

x1——LNG氣源的比例系數(shù)；

s1——LNG氣體的相對(duì)密度(空氣相對(duì)密度為1)；

s2——摻混用空氣的相對(duì)密度(s2=1)

3.2 混氣比例確定

GB/T 13611－2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惣盎咎匦浴芬?guī)定，12T天然氣的高華白數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為50.72 MJ/m3，高華白數(shù)范圍為45.66～54.77 MJ/m3。這間接規(guī)定了燃?xì)鈸交斓谋壤蟆?/p>

混氣比例計(jì)算時(shí)以國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀管道天然氣的高位熱值作為參考指標(biāo)，摻混后氣體高位熱值以不低于國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀管道天然氣的高位熱值為原則。以表1中統(tǒng)計(jì)的進(jìn)口LNG的熱值平均值為例，可計(jì)算出進(jìn)口LNG摻混空氣的比例，最大摻混比例為7.94%，具體摻混比例以實(shí)際氣源熱值為準(zhǔn)。

以簡(jiǎn)化后的華白數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算，摻混比例在1%～8%之間時(shí)，高位華白數(shù)在49.03～54.21 MJ/m3之間，該數(shù)值在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。當(dāng)摻混比例繼續(xù)增大至12.8%時(shí)，高位華白數(shù)為45.66 MJ/m3，達(dá)到規(guī)范要求的最低標(biāo)準(zhǔn)，即僅考慮華白數(shù)指標(biāo)時(shí)，最大摻混比不得大于12.8%。在進(jìn)行進(jìn)口LNG氣源熱值調(diào)節(jié)時(shí)，若燃?xì)飧呶粺嶂禎M足規(guī)范要求，華白數(shù)指標(biāo)亦能夠滿足要求。不同摻混比下的高位熱值與華白數(shù)計(jì)算結(jié)果，如圖1所示。

圖1 不同摻混比例下的高位熱值與華白數(shù)

3.3 混氣安全性驗(yàn)證

計(jì)算多組分混合氣體的爆炸極限時(shí)，已知混合氣中每種組分氣體的體積分?jǐn)?shù)和爆炸極限。當(dāng)添加空氣或氮?dú)夂?，?jì)算時(shí)即扣除空氣及惰性氣體的體積含量，并重新調(diào)整可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)占比，可通過式(3)進(jìn)行計(jì)算。

式中：L——可燃?xì)怏w的爆炸極限，%；

n——混合氣中的可燃?xì)怏w組分?jǐn)?shù)；

Vi——混合氣中扣除空氣或氮?dú)夂螅鹘M分的體積分?jǐn)?shù)；

Li——各組分的爆炸極限。

如采用天然氣中摻入少量氮?dú)鈦碚{(diào)節(jié)熱值，混合氣中的惰性氣體增加，相關(guān)研究表明此時(shí)混合氣的爆炸極限范圍將縮小，爆炸下限有少量上移，爆炸上限卻下移很多，氣體安全性提高。如采用天然氣中摻入少量空氣來調(diào)節(jié)熱值，以純甲烷為例，在摻混10%的空氣后，計(jì)算可得天然氣的爆炸極限范圍由5%～15%變?yōu)?.6%～16.7%，混合氣中的可燃?xì)怏w含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其爆炸上限的3倍以上，混合氣的安全性有保障，混氣是可行的。

4 熱值調(diào)節(jié)工藝

4.1 熱值調(diào)節(jié)方式

天然氣熱值的調(diào)節(jié)方式有多種，可以提高熱值，也可以降低熱值。熱值調(diào)節(jié)主要通過加入高熱值氣體、輕烴回收、注入氮?dú)饣蚩諝獾确桨高M(jìn)行。

4.2 混氣工藝選擇

混氣裝置的形式主要有三種，即引射混氣、比例混合閥混氣和隨動(dòng)流量混氣。對(duì)于用氣壓力較低但用氣量較大的用戶，可選擇采用引射方式完成混氣，一般用于低壓摻混。對(duì)于用氣壓力較高且用氣量較大的用戶，可采用高壓比例摻混方式，但此種方案適用于氣量穩(wěn)定性較高的場(chǎng)合，用于瞬時(shí)流量波動(dòng)較大的場(chǎng)合則精確度不高。如要求更加精準(zhǔn)的摻混，確保摻混氣體的熱值保持在一個(gè)相對(duì)恒定的范圍內(nèi)，可采用隨動(dòng)流量混氣方式。

隨動(dòng)流量混氣工藝流程一般需設(shè)置調(diào)壓裝置、比例調(diào)節(jié)閥門、流量計(jì)、混氣裝置和熱值檢測(cè)設(shè)備，并通過PLC控制裝置實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)和反饋，確保出站氣體的熱值恒定在某一個(gè)范圍。熱值調(diào)節(jié)所需工藝設(shè)備根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件、設(shè)備配置、設(shè)計(jì)流量等條件的不同而采取不同配置，工藝流程見圖2。

圖2 隨動(dòng)流量混氣工藝流程

5 結(jié)語

玻璃生產(chǎn)用戶對(duì)燃?xì)鉄嶂档牟▌?dòng)范圍敏感，為保障玻璃生產(chǎn)企業(yè)成品率、提高燃?xì)饫眯?、穩(wěn)定燃?xì)夤鉄嶂捣秶蓪?duì)進(jìn)口LNG氣源氣質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)各類氣源統(tǒng)計(jì)，進(jìn)口LNG的高位熱值平均值為40.952 MJ/m3，國(guó)產(chǎn)LNG為36.581 MJ/m3，國(guó)產(chǎn)管道天然氣為37.70 MJ/m3。這為進(jìn)口LNG氣源熱值調(diào)節(jié)提供了基礎(chǔ)條件。氣源按恒定熱值供氣及計(jì)價(jià)，可確保用戶所用燃?xì)馔|(zhì)同價(jià)，亦是未來燃?xì)庥?jì)量發(fā)展的趨勢(shì)。

本文按各類氣源的平均熱值計(jì)算得出：進(jìn)口LNG平均摻混空氣的最大比例為7.94%，則華白數(shù)校核符合規(guī)范要求；經(jīng)混氣安全性理論校核后也表明安全性有保證，且具備氣質(zhì)調(diào)節(jié)可行性。