低熱值煤層氣摻混氫氣、二甲醚混合氣體與天然氣互換性研究

周 宇

(六盤水師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院,貴州 553004)

1 燃?xì)饣Q性

燃?xì)饣Q性是指在一種燃?xì)鈶?yīng)用中，當(dāng)其運行的安全、效率、性能或增加污染物的排放等方面無實質(zhì)性的變化時，一種燃?xì)馓娲硪环N燃?xì)獾哪芰ΑＤ壳?，我國用于預(yù)測燃?xì)饣Q性的方法主要以指數(shù)法為主，包括AGA指數(shù)法和Weaver指數(shù)法。其中AGA指數(shù)法包括離焰IL、回火IF和黃焰IY三個互換指數(shù)，由美國燃?xì)鈪f(xié)會(A.G.A)于1946年提出，并于80年代由美國燃?xì)庋芯吭?GRI)對其再次審定和修正；Weaver指數(shù)法包括熱負(fù)荷因數(shù)JH、空氣引射量JA、回火JF、離焰JL、CO排放JI和黃焰JY六個判定指數(shù)，于1951年Elmer R.Weaver結(jié)合AGA的研究方法和結(jié)果，在此基礎(chǔ)上通過大量的實驗研究提出，各項指數(shù)的計算方法以及通過實驗結(jié)果和計算結(jié)果對比歸納的互換范圍見表1。

表1 AGA指數(shù)與Weaver指數(shù)

其中，K為離焰極限常數(shù)；f為一次空氣因數(shù)；A為氣體燃料完全燃燒每釋放105kJ熱量所消耗的理論空氣量，m3；H為燃?xì)飧邿嶂?，kJ/m3；Y為黃焰極限常數(shù)；W為沃泊指數(shù)，kJ/m3；V0為理論空氣量，m3/m3；d為相對密度；O2為燃?xì)庵醒鯕獾娜莘e成分，%；Sf為火焰速度指數(shù)；N為每100個燃?xì)夥肿又腥紵龝r容易析出的碳原子數(shù)；R為燃?xì)庵袣湓訑?shù)與碳?xì)浠衔镏刑荚訑?shù)的比值，下標(biāo)a和s分別代表基準(zhǔn)氣和置換氣，氣體體積計量狀態(tài)為：溫度15℃，壓強101.325kPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 低熱值煤層氣及天然氣成分

貴州省煤層氣資源總量為3.15萬億m3，約占全國的10%，居全國第二，僅次于山西。貴州省煤層氣資源主要分布于六盤水煤田、織納煤田、黔北煤田，占全省煤層氣資源量的92.8%。本文選取六盤水盤州市某代表性煤礦作為對象，對礦區(qū)井下抽取煤層氣的成分進行調(diào)研，結(jié)果見表2。煤層氣高、低熱值分別為11930kJ/m3、10832kJ/m3，屬于低熱值煤層氣。貴州地區(qū)民用天然氣主要以貴陽輸氣站運輸?shù)礁鱾€地方，根據(jù)氣質(zhì)分析報告，天然氣成分組成見表3。

表2 貴州省盤州市某礦區(qū)煤層氣容積成分

表3 貴州地區(qū)天然氣容積成分

2.2 低熱值煤層氣摻混氫氣互換性

表4為低熱值煤層氣摻混氫氣混合氣體與天然氣互換性的AGA指數(shù)與Weaver指數(shù)判定結(jié)果。可以看出，無論是AGA指數(shù)還是Weaver指數(shù)，當(dāng)氫氣摻混比例從10%到95%，摻混后的混合氣體與天然氣互換時，均會出現(xiàn)回火現(xiàn)象，且隨著氫氣摻混比例的增加越發(fā)嚴(yán)重，這是因為氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥诩淄榈幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?，說明在判斷回火時，AGA指數(shù)與Weaver指數(shù)是一致的；同時，無論是AGA指數(shù)還是Weaver指數(shù)，當(dāng)氫氣摻混比例從10%到95%，與天然氣互換時均不會出現(xiàn)黃焰現(xiàn)象，但AGA指數(shù)表明隨著氫氣摻混比例的增加越不容易發(fā)生，而Weaver指數(shù)則變化不大甚至出現(xiàn)相反的趨勢，根據(jù)氫氣燃燒的性質(zhì)可知，在判斷黃焰時，AGA指數(shù)法更為準(zhǔn)確；當(dāng)氫氣摻混比例較小，與天然氣互換時還會同時存在離焰現(xiàn)象，這也是由于氫氣和甲烷火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊妮^大差異導(dǎo)致的，氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣却蠹s是甲烷的5倍，通過Weaver指數(shù)判斷，氫氣摻混比例達45%時離焰現(xiàn)象開始消失，而AGA指數(shù)判定則需要將氫氣摻混比例提高至80%離焰現(xiàn)象才勉強消失，在判斷離焰現(xiàn)象時，AGA指數(shù)明顯比Weaver指數(shù)苛刻。

表4 低熱值煤層氣摻混氫氣互換性判定結(jié)果

Weaver指數(shù)較AGA指數(shù)增加了有關(guān)熱負(fù)荷、空氣引射能力和不完全燃燒方面的判定指數(shù)。隨著氫氣的摻混比例的增大，熱負(fù)荷指數(shù)也隨之增大，主要是由于低熱值煤層氣中摻入可燃?xì)怏w氫氣的同時降低了不可燃成分氮氣的含量，但是由于甲烷的熱值大約是氫氣的熱值的3倍，摻混氣體與天然氣仍然不可互換；對天然氣來講，完全燃燒釋放相等熱量所需的理論空氣量基本不變，可認(rèn)為一次空氣系數(shù)與華白數(shù)成反比，因此，空氣引射指數(shù)與熱負(fù)荷指數(shù)差異很小，空氣引射指數(shù)也是隨著氫氣的摻混比例的增大而增大，但是均小于1，說明置換后一次空氣系數(shù)增大，原因是氫氣燃燒所需的空氣量是甲烷燃燒所需空氣量的1/4，導(dǎo)致空氣過剩；從不完全燃燒指數(shù)結(jié)果可以看出，無論氫氣摻混比例為多少，混合氣體與天然氣互換時均不會出現(xiàn)不完全燃燒現(xiàn)象。

2.3 提濃低熱值煤層氣摻混氫氣互換性

低熱值煤層氣中甲烷含量較低，直接利用比較困難，利用之前進行提濃(即提高甲烷濃度)可以有效提高低熱值煤層氣的利用率。低熱值煤層氣中含有大量的氮氣，提高甲烷含量亦即對甲烷和氮氣進行分離，主要有吸附分離、膜分離、溶液吸收分離及深冷分離等方法。

如圖1所示，當(dāng)?shù)蜔嶂得簩託饧淄闈舛确謩e提高至40%、60%后摻混氫氣與天然氣互換性時各判定指數(shù)對比情況。

注：圖中橫坐標(biāo)均為氫氣摻混比例/%圖1 低熱值煤層氣不同甲烷含量時各互換性判定指數(shù)隨氫氣摻混比例變化情況

AGA指數(shù)中，相同氫氣摻混比例下，離焰指數(shù)隨著煤層氣中甲烷濃度的提高而降低，降低了離焰傾向，煤層氣未提濃、甲烷濃度提高至40%及60%時，為使離焰指數(shù)滿足互換性所需摻混的氫氣比例分別為85%、75%和65%；相同氫氣摻混比例下，回火指數(shù)隨著煤層氣中甲烷濃度的提高而減低，降低了回火傾向，如前所述，主要是由于氫氣火焰?zhèn)鞑ニ俣容^甲烷大約5倍，且在所討論范圍內(nèi)，均不滿足互換性要求；類似的，相同氫氣摻混比例下，黃焰指數(shù)也隨著煤層氣中甲烷濃度的提高而下降，增加了黃焰傾向，但在本文所討論的范圍內(nèi)，均滿足互換要求。

Weaver指數(shù)中，相同氫氣摻混比例下，除回火指數(shù)外，其余判定指數(shù)均隨著煤層氣中甲烷濃度的提高而增大。甲烷濃度的提高，置換氣熱值增大，熱負(fù)荷指數(shù)朝著滿足互換性方向發(fā)展，然而由于氫氣熱值低，在所討論的范圍內(nèi)，熱負(fù)荷均不滿足互換要求，引射指數(shù)由于氫氣和甲烷燃燒所需空氣量的巨大差異也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律；與AGA指數(shù)類似，煤層氣中甲烷濃度的提高降低了離焰傾向，煤層氣未提濃、甲烷濃度提高至40%及60%時，為使離焰指數(shù)滿足互換性所需摻混的氫氣比例分別為45%、30%和15%；相同氫氣摻混比例下，煤層氣中甲烷含量的提高增加了不完全燃燒和黃焰傾向，但在本文所討論范圍內(nèi)均滿足互換要求；相同氫氣摻混比例下，煤層氣中甲烷含量的提高對回火影響不大，因為回火主要是由氫氣引起的。

2.4 低熱值煤層氣摻混氫氣+二甲醚互換性

由于氫氣熱值較低，低熱值煤層氣中摻混氫氣與天然氣進行互換時，熱負(fù)荷始終無法滿足互換要求。二甲醚的熱值高于甲烷，是甲烷的約1.7倍，摻混氫氣的同時摻混二甲醚可以提高混合氣體的熱值，圖2所示為氫氣摻混比例為20%，低熱值煤層氣不同甲烷含量時二甲醚摻混比例對混合氣體互換性的影響。

注：圖中橫坐標(biāo)均為二甲醚摻混比例/%圖2 低熱值煤層氣不同甲烷含量時各互換性判定指數(shù)隨二甲醚摻混比例變化情況

AGA指數(shù)中，當(dāng)煤層氣中甲烷濃度不變時，隨著二甲醚摻混比例的增大，離焰指數(shù)和黃焰指數(shù)下降，回火指數(shù)上升，降低了離焰傾向，增加了黃焰和回火傾向；當(dāng)煤層氣中甲烷濃度提高時，離焰指數(shù)、黃焰指數(shù)和回火指數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢，降低了離焰和回火傾向，但會增加出現(xiàn)黃焰的可能性。

Weaver指數(shù)中，當(dāng)煤層氣中甲烷濃度不變時，除了回火指數(shù)，其余指數(shù)均隨著二甲醚摻混比例的增大而增大，與煤層氣中甲烷濃度對互換性的影響一致，促進熱負(fù)荷指數(shù)和空氣引射指數(shù)趨向于滿足互換性要求，同時降低了離焰傾向，但是增加了回火傾向和不完全燃燒傾向，以及出現(xiàn)黃焰的可能性，但是在所討論的范圍內(nèi)，不完全燃燒和黃焰始終是滿足互換性要求的，但是回火現(xiàn)象并不能得到明顯改善。

綜上所述，當(dāng)氫氣摻混比例控制為20%，煤層氣未提濃、甲烷濃度提高至40%及60%時，為滿足互換性要求，二甲醚摻混比例宜控制在60%、50%和40%，但是需要采用一些防止回火的措施，如適當(dāng)減小火孔直徑，若進一步提高氫氣摻混比例，二甲醚摻混比例還可降低。

3 結(jié)論

(1)AGA指數(shù)與Weaver指數(shù)在判斷回火時是一致的，在判斷黃焰時，AGA指數(shù)法更為準(zhǔn)確，而在判斷離焰現(xiàn)象時，AGA指數(shù)明顯比Weaver指數(shù)苛刻。

(2)提高低熱值煤層氣中氫氣摻混比例，可促進熱負(fù)荷指數(shù)和空氣引射指數(shù)趨向于滿足互換性要求，降低了離焰和黃焰傾向，同時增加了回火傾向和不完全燃燒傾向，但由于氫氣熱值較低、燃燒所需理論空氣量較小，在與天然氣互換時，混合氣體熱負(fù)荷和空氣引射始終無法滿足互換性要求，而不完全燃燒現(xiàn)象在所討論的范圍內(nèi)均滿足互換要求。

(3)提高低熱值煤層氣中甲烷濃度或二甲醚摻混比例，可促進熱負(fù)荷指數(shù)和空氣引射指數(shù)趨向于滿足互換性要求，同時降低了離焰傾向，但是增加了回火傾向和不完全燃燒傾向，以及出現(xiàn)黃焰的可能性，但是在所討論的范圍內(nèi)，不完全燃燒和黃焰始終是滿足互換性要求的，但是回火現(xiàn)象并不能得到明顯改善。

(4)當(dāng)氫氣摻混比例控制為20%，煤層氣未提濃、甲烷濃度提高至40%及60%時，為滿足互換性要求，二甲醚摻混比例宜控制在60%、50%和40%，但是需要采用一些防止回火的措施，如適當(dāng)減小火孔直徑，若進一步提高氫氣摻混比例，二甲醚摻混比例還可降低。