（化学工程专业论文）广州市天然气过渡气源适配性试验研究.pdf

， ；i 。：? ； 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：运夏狮日期：? 砸年甲月f 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囹在堇年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 口 日期：刎5 年v 月f 7 日 日期： 疗年y 月，歹日 _ 、 i 乞； 摘要 l l i i i 川l l i l l i l l i l i l i l l l l i l l i l l l l m l y 18 15 2 8 3 广东l n g ( 1 i q u e f i e dn a t u r a lg a s ) 项目所引进的澳洲天然气2 0 0 6 年将实现对广 州市供气，由于澳洲天然气的成分及燃烧特性与现有的广州油制气偏差太大，不 能在现有广卅i 市管道气用户的燃具上直接使用。 为了充分利用廉价、清洁的l n g 气源，降低制气成本和减少重油制气的污 染，减少“照付不议的经营风险。本文根据广州油制气的特性和燃气互换性， 结合广州市煤气公司现有生产装置，提出可供选择的以天然气为生产原料的过渡 气源方案即( 1 ) 天然气掺混空气、( 2 ) 天然气改制气掺混天然气和空气、( 3 ) 天 然气改制气掺混天然气，并以广州市典型的燃具为试验对象进行燃烧工况试验。 通过试验结果得出如下结论： l 、方案( 2 ) 即天然气改制气掺混天然气和空气可作为天然气置换期间的过 渡气源是可行的。 2 、对所选择的过渡气源进行经济分析和安全环保评价，过渡气源具有较好的 经济效益和社会效益。 3 、试验中出现超标的燃具比较固定，反映了各燃具适应能力有较大差别，并 初步得出参与试验燃具的适应性，今后需进一步试验燃具适应能力。 4 、天然气直接掺混空气的过渡气源性质与油制气相差较大，鉴于燃气互换原 理也是一种实验理论，且天然气直接掺混空气方案与天然气裂解后掺混天然气和 空气方案相比，具有许多优点，为了能最终实现互换，仍需进一步扩大实验范围， 筛选出最佳方案。 关键词：天然气；气源；燃烧特性；燃气互换性 仃a n s i t i o n a ls o u r c e so fg a sb a s e do nt h en a t u r a lg a sa sr a wm a t e r i a l ( 1 ) n a t u r a lg a s b l e n d i n gw i ma i r ；( 2 ) m o d i f i e dn a t u r a lg a sb l e n d i n gw i t ha i r 锄dn a t u r a lg a s ；( 3 ) m o d i f i e dn a t u r a lg a sb l e n d i n gw i t hn a t u r a lg a s ，a n di t se x p e r i m e n tf o r t h eo p e r a t i n g c o n d i t i o n so fb u m i n gb yu s i n gt h et y p i c a lg a sb u r n i n ga p p i i a n c e so fg u a n g z h o ua st e s t o b j e c t s t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r e o b t a i n e df 而mt h ee x p e r i i n e n t s ： 1 t h ep r o j e c t ( 2 ) ，t h a ti s ，i t sa v a i l a b l ef o rt h em o d i f i e dn a t u r a lg a s n a t u r a lg a s b l e r 逋n gw i t l l 础t 0 b e 廿a i l s i d o n a ls o u r c e0 f g 觞d 血n g 血ep 耐0 d0 f e x c h 锄舀n gn a n i m lg 嬲 2 a f k rt h ee c o n o “ca n a l y s i s ，s a f e t ya n de n v i r o n m e n t a le v a l u a t i o no ft h es e l e c t i v e g a ss o u r c ea sw e na st h et r a n s i t i o n a lg a ss o u r c eh a v ep r e f e m b l ee c o n o 面ca n ds o c i e t a l b e n e f i t s 3 i t sf i x e df o rt l l eb u m i n ga p p l i a n c e st l l a ts u r p a s st h es t a n d a r di nt h ee x p e r i m e n t s ， w h i c h 代f l e c t st h ev e r yl a r g ed i f f e r e n c e so fa d a p t a b i l i t yf o re v e r yk i n do fb u m i n g a p p l i a n c e s ，c o n c l u d i n gt h ea d a p t a b i l i t y o fb u m i n ga p p l i a n c e sa n dn l en e c e s s i t yf o r f u r t h e re x p e r i m e n t s 4 t h e 廿a n s i t i o n a lg a ss o u r c eo fn a t i l r a lg a sb l e n d i n gw i ma i ri sv e r yd i f f e r e n t 行o m o i lp r o d u c i n gg a si np r o p e n i e s s i n c et h ep r i n c i p l eo fi n t e r c h a n g ea b i l i t yo fg a si sak i n d 0 fe x p e r i m e n t a lt h e o r ya tp r e s e n t 觚dt h e r ea r em a n ym e r i t sf o rn a t l l r a lg a sb l e n d i n gw i t l i a i ri nc o n 仃a s tt 0m o d i f i e dn a t u r a lg a sb l e n d i n gw i t ha 址m o r ea n dw i d e re x p e r i i i 伦n t s h a v et 0b ed o n ea n dt h eo p t i m u mp r o j e c tc a nb eo b t a i n e di no r d e rt 0 h i e v et h e i n t e r c h a n g eo fv a r i o u sg a ss o u r c es y s t e m s 私w e u 舔t 0p r o v et h ea v a i l a b i l i t y0 ft h e p r 9 j e c t k e y w o r d s ：n a t i l r a lg 雒；g a ss o u r c e ；b u r 血n gc h a r 犹t e r i s d c ：i n t e r c h a n g ea b i l i t ) ，o f 摘要 a b s t r a c t ii 第一章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 课题来源及研究意义2 1 3 国内外天然气过渡气源研究及应用情况。2 1 3 1 国外以天然气生产过渡气源情况2 1 3 2 国外以天然气生产过渡气源工艺介绍3 1 3 3 国内过渡气源研究及应用情况3 1 4 广州市气源生产设施概况及气源情况4 1 4 1 广州市气源生产设施概况。4 1 4 2 广州市管道气气源情况。5 1 4 3 广州市利用现有装置实施过渡气源研究的可行性5 1 5 研究内容6 1 6 研究目标。7 第二章过渡气源试验原理8 2 1 燃气互换性问题。8 2 1 1 燃具热负荷、华白数对燃气互换性的影响8 2 1 2 燃具喷嘴前压力对燃具运行工况的影响。9 2 1 3 燃具火孔强度对燃具运行工况的影响9 2 1 4 一次空气系数对燃具运行工况的影响1 0 2 1 5 燃烧特性对燃气互换性的影响l l 2 2 燃气互换性判定。1 2 2 2 1 华白数与校正华白数1 2 2 2 2 燃气的燃烧势c p 1 3 2 2 4 法国德尔布d e l b u r g e 互换图1 4 2 3 试验配气计算1 4 2 4 配气系统及方法1 5 第三章过渡气源试验方案16 3 1 过渡气源试验的必要性1 6 论文 1 7 1 8 1 8 19 1 9 ：1 0 ：! o ：1 1 ：1 1 应性试验2 3 3 6 3 天然气裂解气掺混天然气燃具适应性试验2 4 第四章试验结果与分析2 6 4 1 热水器试验结果2 6 4 1 1 天然气掺混空气热水器试验结果2 6 4 1 2 天然气裂解气掺混天然气和空气热水器试验结果2 7 4 1 3 天然气裂解气掺混天然气热水器试验结果2 9 4 2 热水器试验结果分析2 9 4 2 1 天然气掺混空气热水器试验结果分析2 9 4 2 2 天然气裂解气掺混天然气和空气热水器试验结果分析3 0 4 2 3 天然气裂解气掺混天然气热水器试验结果分析3 0 4 2 4 不同品牌型号热水器试验结果比较3 0 4 3 民用灶具试验结果3l 4 3 1 天然气掺混空气灶具试验结果3 l 4 3 2 天然气裂解气掺混天然气和空气灶具试验结果。3 2 4 3 3 天然气裂解气掺混天然气灶具试验结果3 3 4 4 民用灶具试验结果分析3 3 4 4 1 天然气掺混空气灶具试验结果分析3 3 4 4 2 天然气裂解气掺混天然气和空气灶具试验结果分析3 4 4 4 3 天然气裂解气掺混天然气灶具试验结果分析3 4 4 4 4 不同品牌型号灶具试验结果比较3 4 4 5 最佳过渡气源的选择3 5 第五章经济性分析及社会效益评价3 6 5 1 过渡气源经济性分析3 6 5 2 社会效益评价3 7 目录 第六章结论、问题与建议3 8 6 1 试验结论与建议3 8 6 2 存在问题3 8 6 3 本课题下阶段的工作3 9 参考文献4 0 在学期间发表与学位论文内容相关的学术论文4 3 致谢4 4 附录4 5 m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 城市燃气是指供居民生活、商业和工业企业作燃料用的、公用性质的燃气， 它是城市建设的重要基础设施之一，也是改善城市大气环境的一个重要环节。在 世界城市燃气的近二百年的发展过程中，经历了由煤制气到油制气再到天然气的 发展，在应用领域上经历了由照明到炊事再到燃气工业的阶段。从上世纪后半叶 起，由气源资源的经济性所决定，世界各国均以天然气作为城市燃气的主要气源。 我国城市燃气和发达国家相比，起步较晚，由于气源厂建设及管道等基础设施建 设投资大，目前全国有供气管网的城市很少，而瓶装液化石油气供气机动灵活， 建设快，且无需管道设施就能满足家庭用户的用气要求，大多数城市的供气以瓶 装为主，在使用的液化石油气、人工燃气和天然气三种燃气中，其中液化石油气 所占的比例最大，约占用气人口的6 3 ，其次是人工煤气，约占2 3 ，天然气所占 的比例最小，约为1 3 n 。 随着国民经济的快速发展，改变能源结构、改善大气质量的问题已引起政府 和社会各界的广泛关注。人工煤气对居民因烧煤造成的大气污染已得到很好的解 决和改进，但由于人工煤气存在成本高、气质差以及气源厂在生产过程中环境污染 等问题，正在逐步退出人们的视线，从国际经验看，优化城市的燃料结构，使用清洁 燃料，发展利用天然气是可选择的最佳方案之一。随着近年来我国陆上和海上天然 气探明储量快速增长、苏格里等世界级大气田的不断发现以及“西气东输 、“俄 气南输”和进口液化天然气等项目的实施，天然气作为一种清洁、高效、便宜的 能源正越来越受到人们的青睐。天然气的开发和利用，使天然气用于以“燃气一 蒸汽联合循环 为代表的燃用天然气的发电机组n 1 、电站锅炉、工业锅炉、生活 锅炉、玻璃炉窑例、机动车辆等，使燃气应用发生了质的飞跃。同时也表明，城 市燃气在完成向城市清洁能源战略转移中大大向前迈进一步。 我国第一个引进液化天然气项目一一广东l n g 项目，2 0 0 6 年实现对广州市供 气，到时引进的澳洲天然气将替代目前使用的广州油制气。但是澳洲天然气的成 分及燃烧特性与现有的油制气偏差太大，不能在现有广州市管道气用户的燃具上 直接使用1 。城市燃气向天然气转换，要经历一个漫长的过程，从部分国家( 如 美国、前苏联、英国、法国、德国、澳大利亚、日本等) 实施天然气转换的时间 来看，整个转换过程至少需要1 0 年1 。广州市油制气管道用户约6 8 万户，且在 转换期间尚需发展油制气管道用户约2 万户1 ，同时另有数百户的公建、商业、 华南理工大学硕士学位论文 工业企业管道用户进行转换，工作量较大。根据广州市十五燃气发展规划( 纲 要) ，从2 0 0 6 年下半年南门站所辖土华调压站供应的天然气开始置换，计划到 2 0 1 0 年底天然气转换完毕，广州需要4 年多时间才能完成转换任务n 1 。因此研究 过渡气源，选择合理的过渡气源方案，将有利于提高天然气利用进度，提高效率，确 保安全供气和具有良好的经济效益。 1 2 课题来源及研究意义 国家发展计划委员会于1 9 9 9 年1 2 月3 1 日以“计预测 1 9 9 9 2 3 7 7 号文， 批准广东l n g 试点工程总体项目一期工程立项。广东省l n g 试点项目主要为珠 江三角洲的燃气电厂和城市工业与民用及商业用户提供可靠的燃料。项目的投资 公司有中国海洋石油总公司、深圳市投资管理公司、广东省电力集团公司、广州 市煤气公司、东莞市燃料工业总公司、佛山市燃气总公司、香港电灯公司、中华 煤气公司和英国b p 公司共同投资，广州市煤气公司是广州地区的天然气业主单 位，广州地区的天然气购销合同由广州市煤气公司代表用户与上游投资方签订， 而广东l n g 项目是按照国际惯例签订的“照付不议”( t a k eo rp a y ) 购销合同， 即广州市煤气公司与上游签订的购气合同也是“照付不议 的，因此，按照“照 付不议 的规定，如果买方一年或一段时间内实际提取的气量少于合同值，须按 合同规定气量付款。国际的研究工作表明n ，由于“照付不议”，天然气到来之后， 在市场经济条件下，特别对发展中国家，城市燃气的发展还存在许多风险性，因 此，应做好论证工作避免因用气量不足而造成经济上的损失。 随着广东省l n g 项目的实施，作为项目业主单位的广州市煤气公司承担着 如何消化合同所要求的购气量和实现油制气逐步转换天然气的任务，为实现尽量 多用天然气，提出研究以天然气为原料的过渡气源，一方面，可使天然气的耗量 达到合同要求，且改制天然气的成本比液化石油气低，从而达到既降低生产成本， 又减少照付不议的风险，同时还能满足天然气转换进度的要求。另一方面，通过 对过渡气源的研究，也可测试燃具的适应能力，为政府审批燃具入网时提供可靠 的依据，同时也能为市民选择优质燃具时作参考。因此，在此形势下过渡气源的 研究显得具有非常重要和现实意义。 1 3 国内外天然气过渡气源研究及应用情况 1 3 1 国外以天然气生产过渡气源情况 世界城市燃气发展的历程大体可分为煤制气时代、多种气源( 煤制气、重油 制气、轻油制气、液化石油气、天然气等) 时代和天然气时代，由于城市燃气从 人工煤气转换到天然气直接供应需要经历一段相当长的过程，如日本大阪在7 0 2 第一章绪论 _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - _ - _ _ - _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ - - - - - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ - 年代初开始引进液化天然气以替代原来的油制气，到8 0 年代末才完成转换工作n 们， 在天然气转换初期很多城市都遇到了用天然气改制的办法来适应逐步转换。如意 大利的米兰、澳大利亚的墨尔本、日本大阪等城市在实施天然气转换过程中都采 用常压间歇循环催化裂解制气工艺，以天然气作为人工煤气原料生产城市煤气1 。 但对于转换量不大的城市，如一年内可完成转换任务，根据国际上的经验都 是一步到位，直接转换为天然气，没有必要采用天然气改制n 扪。 1 3 2 国外以天然气生产过渡气源工艺介绍 天然气改制是通过一定工艺将高热值天然气改制成低热值的改制气，再用天 然气增热，达到城市燃气要求，其实质是利用天然气作为制气原料生产城市燃气。 以天然气、轻质油为原料的制气工艺根据操作压力和制气方法不同可分为如下两 大类【l ，l ：第一类为常压法，它包括间歇式催化裂解法和部分氧化法：第二类为加 压法，它包括部分氧化法、连续式蒸汽转化法和加氢气化法。其中常压部分氧化 法，使用空气生成煤气热值低，需采取增热手段，加压部分氧化法一般用于合成 氨工业，未曾用于城市煤气，加氢气化法生成气热值较高，一般与催化富气法一 起用在制得的贫气增热上。因此，在生产城市煤气中常用的制气工艺一般为常压 间歇式催化裂解法和加压法中的连续式蒸汽转化法。 常压间歇循环催化法工艺原理是天然气与水蒸汽在催化剂的作用下，进行水 蒸汽转化反应，转化成氢气、一氧化碳、二氧化碳。常压间歇循环催化法主要有 o g 、u g i 、o n i a g e g i 法等，这种制气装置在2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代盛行于 欧洲和日本，在不到十年的时间内，欧、美、日等国建成了近百套这种制气装置。 各国对该制气技术作了进一步的改进使其适应多种原料并生产各种组成的燃气， 在技术上具有不同的特点和适应性。有的采用此法以天然气为原料生产城市煤气 作天然气转换期间的过渡气源，有的作为大城市调峰气源，有的作为中小城市的 主气源。 加压蒸汽转化法的工艺原理是天然气在催化剂的作用下，通过在蒸汽转化反 应将其中高热值的烃类和甲烷转化为低热值的氢气、一氧化碳、二氧化碳等气体， 通过掺混和变换生成城市燃气。加压转化工艺在2 0 世纪6 0 年代已开发，可使用 天然气、炼厂气和石脑油等原料，用于氨、甲醇、氢气和城市燃气等各种产品的 生产。 1 3 3 国内过渡气源研究及应用情况 随着“西气东输”工程的实施、海上天然气利用和l n g 工程项目的实施， 我国天然气利用从9 0 年代以来，以平均每年增长约1 0 亿立方米的速度发展，是 增长最快的能源1 。有些原有人工燃气用户较多的大城市，从人工燃气转换为天 华南理工大学硕士学位论文 要经历较长的时间，也采取天然气改制替代原有人工燃气，以便逐步替换成 气。我国天然气利用过程中实施过渡气源的有上海市和南京市，但很多城市 用天然气直接置换。由于u g i - c c r 制气工艺与国内采用的重油制气都属于 间歇循环催化操作制气，并且在工艺流程和设备配备等方面有许多相似之处， 同的是u g i c c r 制气炉体为两筒式，即由燃烧室、蒸蓄器和反应器组成， 为“u 一型，而重油制气炉体为三筒式，即由蒸蓄器、反应器、空蓄器和燃 组成，类似于o n i a g e g i 装置为“倒u 型；u g i c c r 制气装置既可用天 作原料，也可用轻油或l p g ( 1 i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ) 作原料，在我国已有成熟 【l5 l _ 【”j 。上海吴淞煤气制气公司根据重油制气与u g i c c r 制气工艺的这些相 ，将重油制气炉进行改造，将制气炉的燃烧室和空蓄器拆除，保留蒸蓄器和 器，在蒸蓄器底部增加燃烧室，成功地将原来的l o 万米3 日的三筒式逆向 制气炉改为顺流式间歇循环催化蓄热的天然气裂解装置，一台1 0 万立方米 油制气炉经改造后用天然气作原料可生产2 8 万米j 日的天然气裂解气。通 然气改制工艺生产的成品气品质优良，其华白数( w o b b en u m b e r ) 和燃烧势 海市现用城市煤气接近，燃气互换性好，改制加掺混的热效率约为9 0 ，比 重油制气、煤制气的混气成本下降1 6 【2 们。既消纳了大量天然气，降低了生产成 本，又满足了上海市天然气转换的进度要求。 1 4 广州市气源生产设施概况及气源情况 1 4 1 广州市气源生产设施概况 广州市政府于1 9 8 7 年8 月决定建设“广州油制气工程 ，含气源厂和输配工 程两部分，制气工艺为重油催化裂解，原设计最大供气能力为3 9 万米3 日，可供 居民3 3 万户，1 9 9 1 年1 1 月正式向外供气，1 9 9 5 年油制工程竣工验收时调整2 8 万米3 日，可供居民2 5 万户，随着城市生活水平的提高，管道气用户不断的发展， 供气能力不能满足用户发展的需要。1 9 9 6 年广州市煤气公司为扩大供气能力，寻 求新的气源，在油制气厂内建成了混气站，接收了广州石化总厂的驰放气，建成 制氮系统并对重油制气系统进行改造，将管道煤气生产能力提高到6 8 万米3 日。 但由于制氮系统运行成本高，广州石化总厂的驰放气不能稳定供气，不能作为发 展用户的可靠依托。为扩大供气能力，广州市煤气公司又于2 0 0 0 年在油制气厂内 增建以液化石油气为原料、产气能力为1 7 5 2 万米3 日的u g i - c c r ( 常压循环 催化改质法) 装置，所采用的u g i - c c r 工艺是由美国联合煤气开发公司研究成功， 并由美国工程建设公司工业化，在工业上将此法称为循环催化转化法( c c r 法) ， 该工艺在澳大利亚、法国、意大利曾普遍采用。广州市煤气公司的u g i c c r 装 置于2 0 0 1 年底建成投产后，总产气能力达到1 0 3 万米3 日。 4 表卜1 各类气质特征表 t a b l e1 - lp r o p e r t i e so ft h eg a s e s 项目单位重油制气c c r 装置炼厂气 ( 无c o 变换) l 、气体组分 v 氢气 4 0 3 55 1 3 53 2 一氧化碳 8 51 4 5 甲烷 2 0 96 8 11 6 7 乙烯1 8 38 7 乙烷 1 7 c n h m ：4 5 1 2 1 丙烯 2 5 3 8 丙烷3 8 丁烯 l p g ：1 1 6 11 7 丁烷 2 0 戊烷1 0 氮气 2 3 52 9 21 7 3 氧气 0 60 3 54 6 二氧化碳 4 87 9 56 3 2 、燃烧特性 高位热值 m j ，n m 32 9 6 82 9 8 63 2 5 5 低位热值 m j ，n m 32 7 0 92 7 2 12 9 3 1 高位华白数( w ) m j ，n m 33 9 5 83 7 0 33 3 3 2 燃烧热( c p ) 8 7 1 58 5 68 3 1 3 、密度 k g ，n m 3 0 7 2 6 90 8 9 5 0 6 9 9 4 、相对密度 0 5 6 20 7 0 3 0 7 7 4 1 4 3 广州市利用现有装置实施过渡气源研究的可行性 广州市煤气公司油制气厂内的2 台3 5 万米3 日的u g i c c r 装置可以l n g 为 5 c r 数与油制气的偏差应小于5 1 0 。对于第一种过渡气源方案比较简单，可直接 计算出能与油制气互换的天然气与空气掺混比例范围。第二种和第三种掺混方案 中由于涉及到天然气改制气，而做天然气改制的模拟试验比较困难，因此，只有 根据常压间歇循环催化裂解轻油制气工艺的特点，生产的改制气中h ：的含量超过 6 0 】，c o 含量一般在1 6 左右( 不采用c o 变换工艺) 啪1 ，再结合广州油制气 厂c c r 裂解l p g 、c 5 和上海吴淞煤气制气公司天然气改制的成分n 射，推测出c c r 装置或改造后的重油制气炉改制的天然气改制气，结果见表卜2 。根据表卜2 中 的改制气成分，计算出第二和第三种过渡气源方案能与油制气互换的华白数与燃 烧势。根据国家标准可以用几种单一气体配制进行试验，因此，采用以过渡气源 为基准气，采用甲烷、氢气、空气三种气体配成各种特性的试验气，配制的试验 气华白数与所代替的基准燃气华白数偏差小于2 ，燃烧势偏差小于5 聆，用 试验气在油制气的民用燃具燃烧器上做燃烧稳定性实验，测试出其在民用燃具上 的点火性能、火焰稳定性和烟气中c o 含量( 过剩空气系数q = 1 ) 的试验数据， 利用所得到的测试数据进行分析，最后确定三种过渡气源中最佳的过渡气源及其 配比。 6 第一章绪论 表卜2 几种裂解气成份及特性表 ( 单位：v v ，) t i a b l e1 - 2p r o p e r t i e sa n dc o m p o s i t i o no ft h eg a s e s ( v v ，) 上海吴淞c c r 裂解c c r 裂解拔预测天然 成份及特性 天然气改制气1 8 1 l p g头油 气裂解气 二氧化碳 1 0 98 7 3 59 0 7 59 氧气 0 10 1 8o 0 80 1 一氧化碳 1 8 21 7 4 21 7 5 5 51 7 5 甲烷7 64 3 63 3 9 7 8 氢气 6 2 56 3 5 86 5 5 8 5 6 4 氮气 0 61 9 3 5 1 2 7 5 1 6 乙烯c n h n ：o 10 2 4 5o 2 3 乙烷 0 1 6 5o 2 1 5 丙烯 0 2 80 3 丙烷 0 8 7 50 5 8 5 丁烷 1 9 71 0 3 丁烯 0 1 60 1 6 5 戊烷 0 1 0 50 5 1 5 低位 1 1 8 31 4 7 21 3 8 71 1 9 2 热值m j ，n m 3 高位 1 3 3 51 6 4 81 5 5 51 3 4 7 低位 1 7 9 l2 1 5 82 0 8 41 8 5 8 华白数m j ，n m 3 高位2 0 2 12 4 1 52 3 3 72 1 o l 燃烧势 1 1 4 1 1 5 9 511 9 2 51 1 9 8 3 备注：c c r 裂解l p g 数据是从2 0 0 3 年1 月一1 2 月的平均值，c c r 裂解拔头油数据是从2 0 0 3 年2 月一1 2 月的平均值。 1 6 研究目标 ( 1 ) 通过对民用燃具的燃烧试验，分析并选择与现有油制气互换性好的天然 气过渡气源，并测试出其最佳的混配比例： ( 2 ) 通过试验，测试出不同燃具的适应能力： ( 3 ) 通过经济性分析，对过渡气源的社会效益及经济效益进行评价。 7 华南理工大学硕十学位论文 第二章过渡气源试验原理 2 1 燃气互换性问题 城市燃气用具绝大多数为城市居民及公共事业的炊事、热水、采暖等燃气用 具。任何燃具都是按一定的燃气成分设计的，当燃气成分发生变化而导致其热值、 重度和燃烧特性发生变化时，燃具内燃烧器的热负荷、一次空气系数、燃烧稳定 性、火焰结构、烟气中一氧化碳含量等燃烧工况应会发生改变。如果燃烧器可以 更换，或者其可调部分可以重新调整，那么通过更换或重新调整燃烧器，可以使 燃具适应新的燃气，但对于拥有约6 8 万户管道气用户的城市，从技术上和经济上 都不可能将全部燃烧器逐个更换或重新调整，因此，这样做实际上几乎是不可能的。 虽然燃烧器是按照一定的燃气成分设计的，但即使在燃烧器不加重新调整的 情况下，也能适应燃气成分的某些改变，当燃气成分变化不大时，燃烧器燃烧工 况虽有改变，但尚能满足燃具的原有设计要求，那么这种变化是允许的。但当燃 气成分变化过大时，燃烧工况的改变使得燃具不能正常工作这种变化就不允许了。 两种燃气是否能够互换，并非决定于燃气性质本身，与燃具的燃烧器以及燃具的 其它部件的性能有密切联系。由于城市燃气的燃具中大都采用引射型大气式燃烧 器。因此在研究气源互换性时，首先考虑气源在引射式大气燃烧器的燃烧情况。 2 1 1 燃具热负荷、华白数对燃气互换性的影响 根据喷嘴射流公式，低压引射式燃烧器的热负荷可用下式表示n ”： q = 9 7 1 0 4 ud 2h l ，生 ys 式中：q 一热负荷( k w ) ； h i 一燃气低热值( m j ，n m 3 ) ； d 一喷嘴直径( m m ) ： h g 一喷嘴前压力( p a ) ； s 一燃气相对密度( 空气的s = 1 ) ； u 一喷嘴流量系数。 对于一个特定的燃具，公式( 2 1 ) 可表示为： q - 啪停 式中k 一比例常数。 8 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 第二章过渡气源试验原理 由公式( 2 2 ) 可以看出，燃气压力、热值和相对密度都是变量，当燃烧器喷 嘴前压力不变时，燃具热负荷q 与燃气热值h l 成正比，与燃气相对密度的平方 根i 成反比，通常把燃气热值与燃气相对密度平方根的比值称为华白数，即： w = 旱( 2 3 )w = 下( 2 - 3 ) qs 式中w 二华白数( m j n m 3 ) 。 因此，燃具热负荷与华白数成正比 q = k 0 w ( 2 4 ) 式中l 【0 一比例常数。 华白数是代表燃气特性的一个参数。如两种燃气的华白数相等，就能在同一 压力下在同一燃具上获得同一热负荷。因此在过渡气源试验时首先应保证两种气 源燃具热负荷相同。 2 1 2 燃具喷嘴前压力对燃具运行工况的影响 如果在燃气互换时有可能改变管网压力工况，从而改变燃烧器喷嘴前的压力 h g ，则压力h g 也可成为影响燃烧器热负荷的变数。根据喷嘴射流公式，燃烧器 热负荷与喷嘴前压力的平方根撕i 成正比。将h l ，里称为广义的华白数： ys w = h lf 堡 ( 2 5 ) 、s 式中w 一广义华白数。 当燃气热值、相对密度和喷嘴压力同时改变时，燃烧器热负荷与广义的华白 数成正比： q = k ow ( 2 - 6 ) 式中瞄一比例常数 因此，在不改变喷嘴孔径而提高供气压力下，使火孔出口速度增大，同样可 以通过增加喷嘴射流量来提高燃气热负荷伫扣2 7 1 。液化天然气进来后将使用现有燃 气管网，低压管网压力级制不变，因此燃具喷嘴前额定压力维持不变，可不考虑 燃具喷嘴前压力的影响。 2 1 3 燃具火孔强度对燃具运行工况的影晌 任何燃具都是按一定燃气成分设计的，燃具能稳定和完全燃烧的燃气量称为 火孔的燃烧能力，通常用火孔热强度q p 来表示火孔的燃烧能力。火孔热强度q p 为伸“： 9 华南理工大学硕+ 学位论文 0 3 6 日f 协 1 + 口yo ) q p 一火孔热强度( m j m m 2 h ) ； 1 ) p 一火孔出口气流速度( n l s ) ； a 一一次空气系数； v o _ l 标米3 燃气完全燃烧所需的理论空气量( n m 3 n m 3 ) ； 因此，燃气性质、一次空气系数及火孔尺寸均对火孔的燃烧能力有影响。为 了防止回火和离焰，火孔出口气流速度必须大于回火极限速度，小于离焰极限速 度之间。而在燃具燃烧器确定后，它的火孔热强度q p 即被确定1 。即： q q d = 三( 2 8 ) q p 2 i l z 。苓) 耶 式中f 口一火孔总面积( 1 2 ) 。 将式( 2 4 ) 代入式( 2 8 ) 得： k w q p = i = k l w ( 2 9 ) 砷 式中k l 一比例常数。 因此，对于一个特定燃具而言，火孔热强度与华白数成正比。因此，燃气性 质的改变，也将直接影响火孔强度的改变啪1 。 2 1 4 一次空气系数对燃具运行工况的影响 大气式燃烧器通常利用燃气的能量由引射器将空气引入，与燃气混合后经火 孔流出而燃烧，火焰稳定在火孔上啪，。根据引射器的流动规律，假定喷嘴及喉管 处动能不变，即忽略压力和摩擦对引射器壁影响，并做一些简化，可以得到下面 的关系式哪- ： a = 五厍 ( 2 - l o ) a = 瓦1 万 坦。1 叫 式中：f t 一引射器喉管截面积( m m 2 ) ； f 广一喷嘴截面积( 姗2 ) 。 若燃烧器确定，f t 、f i 则为定值。从式( 2 1 0 ) 可以看出一次空气系数与相 对密度的平方根成正比，与理论空气量成反比。由于理论空气量与热值成正比， 因此一次空气系数与热值成反比，这样式( 2 一l o ) 可以转化为下式： l o a 2 告务- k 2a 2 瓦1 万- k 2 式中k 2 一比例 因此，一次空气系数与华白数成反比，当燃气性质改变时，除了引起燃烧器 1 热负荷改变外，还会引起燃烧器一次空气系数的改变。从q = k o w 和a = k 2 中 可以看出：如果两种燃气具有相同的华白数，则在互换时能使燃具保持相同的热 负荷和一次空气系数。如果置换气的华白数比基准气大，则在置换时燃具热负荷 将增大，而一次空气系数将减少。反之，则燃具热负荷将减小，一次空气系数将 增大。由于低压引射式燃烧器具有自动调节性能，所以燃气压力变化时对一次空 气系数的影响不大。 2 1 5 燃烧特性对燃气互换性的影响 引射式燃烧器产生的大气式火焰应燃烧稳定和完全，而不应产生回火、离焰 及不完全燃烧等现象。产生这些现象通常与燃烧特性有直接关系，影响燃烧特性 的主要因素是燃气的火焰传播数度和一次空气系数。 表示燃气燃烧特性最形象的方法是以一次空气系数为横坐标，火孔热强度为 纵坐标作离焰、回火、黄焰和不完全燃烧的c o 极限含量曲线。这四条曲线总称 为燃烧特性曲线。按某一燃气设计的燃具一经调定，它的运行工作点在q p a 坐 标系上就被确定。图2 1 表示某种燃具的燃烧特性曲线。 啦 唧l 图2 一l 大气式燃气用具燃烧特性曲线图 f i g2 - lb u m i n gc h a r a c t e r i s t i cg r a p ho fa t m o s p h e r i cg a s - b u m i n g 印p l i 锄c e s 由于影响燃气互换性的因素十分复杂，两种燃气是否可以互换，迄今为止尚 不能从理论上推导出一个计算燃气互换指数的经验公式或图表，进行实际试验是 决定能否互换的可靠方法扭”。 目前在世界范围内，较有影响的燃气互换性判别方法有：华白数，校正华白 数，燃烧势，美国燃气协会( a g a ) 判定方法和德尔布d e l b u r g e 互换图1 。 2 2 1 华白数与校正华白数 在两种燃气转换时，燃具热流量( 热负荷) 的变化不宜过大，所以首先考虑 影响燃具热流量参数的华白数w ： w ：阜 ( 2 - 1 2 )w = 下( 2 - 1 2 ) v j 式中h h 一燃气的高热值( m j n m 3 ) 。 当两种燃气的化学、物理性质相差不大，燃烧特性比较接近时，单用华白数 就可判定两种燃气的互换性，华白数允许范围为( 5 1 0 ) n 2 州l 。当两种燃气 成分相差较大时，要考虑燃气成分变化引起气流粘度改变的影响，同时还要考虑 燃气中含0 2 过高时的影响。考虑此两种因素的华白数称为校正华白数w 。，即 w 。k l k 2 旱 v s ( 2 1 3 ) 式中k l 、k 2 为校正系数，k l 是与气体中烃类( 除c h 4 外) 摩尔百分含量有 关的校正系数，k 2 是与气体中c o 、0 2 、c 0 2 的摩尔百分含量以及发热量有关的 校正系数【，”。校正华白数考虑了燃气成分变化引起气流粘度改变的影响，同时还 考虑到燃气中含0 2 过高时的影响。 1 2 第二章过渡气源试验原理 2 2 2 燃气的燃烧势c p 燃气的燃烧速度对离焰回火有直接影响，同时还影响到火焰高度，而火焰高 度对烟气中c o 含量有直接影响。法国德尔布博士经过大量实验研究，找到一个 对燃具的离焰、回火、黄焰及烟气中c o 含量有影响的参数，命名为燃烧势c p 。 德尔布燃烧势 c p ：u 型! 垒坐! 罂! 竺：圣坠垦( 2 1 4 ) o r 2 u f 7 一 z - i4 夕 qs 式中h 2 、c o 、c h 4 、c m h n 一分别为燃气中h 2 、c o 、c h 4 、c m h n 的体积 百分数( ) ： c m h n 一除c h 。外的各碳氢化合物： a 、b 、c 、c 、u 、口一校正系数2 别。 严格地说，人工燃气与天然气c p 值的计算方法有所不同， c p 计算公式，可用于人工燃气与天然气，计算公式为： c p ：( 1 + o 0 0 5 4 0 2 ：) ! 生! 生q 堑墅兰q 二 圣! 查立塑 吖s 日本采用简化的 ( 2 1 5 ) 2 2 3 燃气互换性判定指数 美国天然气协会( a g a 法) ，认为其方法适用于高热值大于3 1 9 0m j ，n m 3 的天然气或其它混合气体。提出以离焰指数( i l ) 、回火指数( i f ) 和黄焰指数( i y ) 等3 个指数来判别燃烧稳定性。这三个指数的计算公式如下瞰1 ： 乜 h = 告p g 爿 q 。1 6 ) 枷嚣( 轰) 0 5 沼川 i y = 尝 ( 2 1 8 ) l y = 瓦鬲 “q 副 式中k a 、k s 一基准气及置换气的离焰极限； f a 、f 一基准气及置换气的一次空气因素； a