沼气调峰用LNG混空装置的设计与测试

黄小美刘晓赫张婧

（1重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆400045；2重庆大学低碳绿色建筑国际联合研究中心，重庆400045；3青岛能源华润燃气有限公司，山东 青岛266071）

引 言

随着经济的快速发展，中国的能源需求急剧增长，能源消耗的持续增加不仅导致石化能源的枯竭，也带来了严重的环境问题。而沼气是一种可再生的清洁能源，资源丰富且开发利用技术比较成熟，沼气的使用不仅能增加一种城镇气源，而且能在沼气制取的过程中实现废物利用，随着环境保护压力的加大，沼气工程已经成为中国处理有机污水和畜禽粪便的重要选择［1－3］。目前我国农村集中沼气供应系统的发酵原料大致分为3类：富氮原料（禽畜粪便）、富碳原料 （农作物秸秆）、常规混合原料 （粪便与秸秆混合）。相关研究［4－7］表明，富碳原料和混合原料的最佳发酵温度均在30℃以上，富氮原料的最佳发酵温度达到了50℃以上，为了保证3种原料正常产气的最低温度为15℃。但我国大部分地区冬季温度都无法达到发酵原料正常产气的温度下限，沼气产气量不稳定，加之冬季沼气需求量增大，导致在冬季用气高峰时供气能力不足。

国内对于以混合气作为补充气源的研究已有诸多的成果，熊兴国［8］通过实验证明采用混合气 （液化石油气＋空气）掺混焦炉煤气作为过渡气源是扩大供气能力的好途径；祝博伟［9］通过灶具燃烧实验验证了用LPG改质气掺混LPG生产代天然气作为应急气源的可行性；宋士文等［10］通过天然气掺混二氧化碳作为沼气的补充气源，有效地维持了正常供气效果。刘勇［11］通过理论计算和试验验证得出采用液化石油气混空替代天然气，天然气混空替代焦炉煤气等方案的燃气配比；林冬等［12］验证了采用混合煤气掺混天然气技术作为钢铁企业焦炉煤气紧缺时的补充气源方案能够取得良好的使用效果和经济效益；孙伯师［13］通过实践论证了采用天然气－空气混合气掺混焦炉煤气作为过渡气源从而扩大供气能力的可行性。同时，也有许多关于混气装置的实验研究，孟祥等［14］提出采用静态混合器进行空气与天然气加压掺混，形成混合气中压直供，既解决了因天然气压力低致接收量不足的问题又降低了输送成本。曹雄等［15］提出了利用随天然气动流量掺混方法、文丘里掺混方法等掺混技术解决管输天然气、压缩天然气和液化天然气等气体掺混问题的方案；黄颂丽等［16］介绍了文丘里引射式混合器、随动流量混合器、高压比例式混合器和配比式混合器4种燃气掺混装置的混合机理及工艺流程，探讨了每种燃气掺混装置的特性及适用工况。针对沼气供气能力不足的问题，本研究提出采用LNG气化掺混空气作为沼气的调峰气源。为了实现LNG气化掺混空气，本研究设计并加工了一种引射式混合器，模拟生产实际对引射混合器的运行特性进行了实验研究，总结出了混气比与引射器进出口压力的关系。

1 混气装置的选择与设计

1.1 混气比和燃烧势范围的计算

1.1.1 混气比范围计算 以一种燃气置换另一种燃气时，因燃气性质改变，除了引起燃具热负荷改变外，还会引起燃具一次空气系数的改变，如果两种燃气互换时华白数保持恒定，则燃烧器热负荷和一次空气系数就基本稳定［17］。因此华白数是在互换性问题产生初期所使用的一个互换性判定指数。由此可知，为保证空气与LNG形成的混合气的华白数处于基准气允许置换范围内，根据式 （1）确定空气与LNG混气比范围

由于空气热值为0，相对密度为1，可简化式（1）为

基准气为6T天然气，高华白数为21.76～25.01，LNG为12T天然气，CH4含量为100%，高热值为39.842MJ·m－3，将基准气高华白数范围代入式 （2）解得空气与LNG混气比范围为（47∶53）～（51∶49）。

1.1.2 燃烧势范围计算 随着燃气置换的进行，会出现燃烧特性差别较大的互换问题，这时单靠华白数就不足以判断两种燃气是否可以互换，需要引入火焰特性这样一个较为复杂的因素验证混气比。燃烧势是一项反映燃气燃烧特性的综合指标，可判定燃气燃烧火焰稳定特性及不完全燃烧倾向性，其计算公式如式 （3）

沼气的燃烧势为18.52，12T天然气的燃烧势为40.28，通过式 （3）计算得混气比51∶49时的燃烧势为26.92，47∶53时的燃烧势为27.76 。

1.2 混气装置的选择

混气装置的基本形式有3种，即引射混合器、比例混合阀和随动流量混气装置。对于用气量相对较大而用气压力要求较低的用户，可选择引射掺混方式；对于用气量较大而压力要求较高的用户，可选择高压比例掺混方式。集中沼气供气设施在不加压时，其供气系统压力较低，因而可以选择较高压力的常规燃气引射空气进行掺混。此方式的原理是将常规燃气压能通过喷嘴喷射造成真空或低压区，使周围空气或压力鼓风的空气经止回阀被吸入，两者进行混合后再扩压形成压力较低混合气。

采用引射掺混方式能在混合气不同供气量工况时保持稳定的混合比，供气压力一般不超过0.03 MPa。混气量调节可由引射气喷射量控制，或采用引射器台数组合方式调节不同的供气量［18－19］。

1.3 引射混合器的设计

在沼气供应不足的情况下，将天然气与空气的混合气补充至沼气管网，为了能够正常使用，需满足置换性的要求，因此需将混气比控制在前文计算所得的比例范围内。因小型LNG钢瓶自然气化后压力为中压，而村镇沼气供应压力一般为低压的特点，故采用中压天然气引射常压空气获得低压的混合气体的设计思路，与其他常规天然气／空气引射混合器相比，本实验所设计的混合器无能耗。由于引射器具有自适应性，只要控制好引射器进出口压力，则天然气与空气的混合比也是一定的。

1.3.1 混合比 标准容积混合比 （即通常称的引射比）

质量混合比为

记

1.3.2 混合器喷嘴 混合器的喷嘴结构要按被引射气压力与喷射气压的比值β的情况分别处理。

β≥βe则气体喷射为亚音速流动；β＜βe则气体喷射为超音速流动。

① 对β≥βe的情况，采用渐缩喷嘴，喷嘴出口断面积为

② 对β＜βe的情况，仍采用渐缩喷嘴。则在渐缩喷嘴口上喷射气流将是音速。喷嘴口的压力与引射段空间压力的压力差只在喷嘴口截面以外降低消失，此时喷射流量为最大流量。它只取决于喷射流动的临界参数，喷嘴断面仍采用式 （13）计算，且取β＝βe，因此也即是式 （14），fj＝fmin。

③ 对β＜βe的情况，采用渐缩渐扩喷嘴。若要充分利用能量，应该采用渐缩渐扩喷嘴 （拉伐尔喷嘴），喷嘴口流速可大于当地音速，喷嘴喉部面积为

喷嘴口面积仍采用式 （13）计算。

1.3.3 混合器结构尺寸 假设引射入口直径Dg为6.2mm。按圆形断面的自由湍流射流，推导出下列满足给定的容积混合比uVn的引射段末端喉管直径与喷嘴直径的比值的计算公式

而在引射段中喷嘴口断面到喉部断面的距离为

混合器的其他结构尺寸相应为：引射段直径Di＝2Dt；混合段长度Sm＝6Dt；扩压段出口断面直径De＝1.58Dt；扩压段长度Se＝3De。

被引射气入口直径由被引射气流速和流量计算得出

1.3.4 混合器工况 由引射混合器工况方程可算出混合器供气压力

同时根据动量守恒定律得出

图1 引射混合器结构图Fig.1 Structure chart of ejector mix

图2 引射混合器运行特性实验系统Fig.2 Experimental system of ejector mixer operating characteristics

由式 （19）可求出Pd，进而推出扩压段静压恢复系数ψ2

利用上述各项公式计算结果如表1所示。

表1 引射混合器设计计算结果Table 1 Calculation results of ejector mixer designing

2 实验装置与方法

2.1 实验方法与仪器

2.1.1 实验方法 实验的主要目的为了验证混合器在实际运行中能获得与理论计算相符合的混气比，在测试过程中需要记录混合器进出口压力，参与混合的天然气量和最终获得的混合气量。

引射混合器结构如图1所示。系统流程如图2所示。实行两路供气完成不同压力工况的测试，需要较高引射压力开启LNG气瓶供气，经过空温器气化及调压器稳压接入混气系统；需要较低引射压力采用城市中压天然气管网供气。来气在设定压力下，经过滤和计量进入引射混合器，形成负压使空气通过止回阀被卷吸入引射混合器，实现空气与天然气的混合，形成的混合气经罗茨流量计后进行燃烧放散或储存。

2.1.2 实验仪器

（1）调压器：本实验所采用的调压器类型为单级式高－中压调压器，型号为BAOYAN R11，出入口口径为1／4″NPT，最大入口压力为25MPa，出口压力不超过1.6MPa。

（2）罗茨流量计：本实验采用的罗茨流量计型号为FLRZ－G10－1T42，公称直径 DN25，公称压力1.6MPa，工况流量范围为0.2～16m3·h－1。

（3）LNG 钢 瓶：容量201L，工 作 压 力1.37MPa。

（4）气化器：工作压力不超过4.0MPa，气化能力为50m3·h－1。

2.2 实验条件设置

2.2.1 单一变量对混气比的影响

①保持出口压力5.00kPa不变，在进口压力分别为0.10、0.15、0.20、0.25及0.30MPa时，测定混气比变化。

②保持进口压力0.30MPa不变，控制出口压力在0.50～6.50kPa范围内，测定混气比变化。

2.2.2 综合考虑进出口压力对混气比的影响程度大小

① 进口压力分别为0.20、0.25、0.30MPa，控制出口压力在0.50～6.50kPa范围内，测定混气比在3种进口压力下随出口压力改变的变化趋势。

② 出口压力分别为3、4、5kPa，引射压力为0.1～0.3MPa，测定混气比在3种出口压力下随进口压力改变的变化趋势。

3 实验结果与讨论

3.1 进口压力和出口压力对混气比的单独影响

保持出口压力5.00kPa不变，测得混气比随进口压力的变化如图3所示，随着进口压力增加，混气比从0.15增加至1.01，提升趋势明显。保持进口压力0.30MPa不变，测得混气比随出口压力的变化如图4所示，随着出口压力增加，引射混合器前后压差降低，卷吸空气减少，致使混气比从1.10下降至0.83，下降趋势缓慢并在出口压力达到4.50kPa后逐渐减缓。实际应用时，除了要求空气与天然气的混气比处于允许置换6T天然气的比例范围内，还需保证灶前压力达到灶具允许工作压力。考虑到管道沿程阻力及管件设备局部阻力，引射压力最低应达到0.25MPa。

3.2 进口压力和出口压力对混气比的综合影响

在出口压力分别为4.00kPa和3.00kPa下混气比随进口压力变化的趋势如图5和图6所示，出口压力4.00kPa下混气比随着进口压力的升高从0.23增大至1.03，出口压力3.00kPa下从0.37增大至1.07，结合图3、图5和图6中的曲线可以看出，在出口压力降低的情况下，混气比随进口压力升高而增大的趋势减缓。

图3 出口压力5.00kPa下混气比与进口压力关系Fig.3 Relationship between mixing ratio and inlet pressure under outlet pressure of 5.00kPa

图4 进口压力0.30MPa下混气比与出口压力关系Fig.4 Relationship between mixing ratio and outlet pressure under inlet pressure of 0.30MPa

在进口压力分别为0.25MPa和0.20MPa下混气比随出口压力变化的趋势如图7和图8所示，进口压力0.25MPa时，混气比随着出口压力的升高从1.10减小至0.83，进口压力为0.20MPa时，混气比随着出口压力的升高从1.09减小至0.59，结合图4、图7和图8中的曲线可看出，随着进口压力的降低，混气比随出口压力升高而减小的趋势加剧。综合考虑不同进出口压力下的混气比，使进口压力在0.25～0.30MPa之间且出口压力在4.00～4.5kPa之间能得到符合要求的混气比。

图5 出口压力4.00kPa下混气比与进口压力关系Fig.5 Relationship between mixing ratio and inlet pressure under outlet pressure of 4.00kPa

图6 出口压力3.00kPa下混气比与进口压力关系Fig.6 Relationship between mixing ratio and inlet pressure under outlet pressure of 3.00kPa

为了直观地表达进出口压力对混气比影响程度的大小，采用非线性模型曲线拟合的方法［20］，择取混气比随引射压力和出口压力变化趋势最大情况，分别拟合两者与混气比的关系曲线，拟合曲线方程依次为

根据以上拟合曲线方程可知，出口压力与进口压力相比，出口压力的变化对混气比影响程度更大。

图7 进口压力0.25MPa下混气比与出口压力关系Fig.7 Relationship between mixing ratio and outlet pressure under inlet pressure of 0.25MPa

图8 进口压力0.20MPa下混气比与出口压力关系Fig.8 Relationship between mixing ratio and outlet pressure under inlet pressure of 0.20MPa

4 结 论

（1）为保证空气与LNG形成的混合气的华白数处于基准气允许置换范围内，空气与LNG混气比范围为 （47∶53）～（51∶49），燃烧势范围为26.92～27.76。

（2）假定引射入口直径为6.2mm，经计算，喉管 （混合段）直径、喷嘴直径、引射段直径、扩压段出口断面直径、被引射气入口直径分别为8.3、1.8、16.7、13.2、10.9mm。喷嘴口断面到喉部断面的距离、混合段长度、扩压段长度分别为14.7、50.0、39.5mm。

（3）考虑进出口单独对混气比的影响时，混气比随进口压力的升高而增大，随出口压力的升高而减小；考虑进出口压力的共同影响时，在出口压力降低的情况下，混气比随进口压力升高而增大的趋势减缓，随着进口压力的降低，混气比随出口压力升高而减小的趋势加剧。

（4）为了获得允许的混气比，引射混合的进口压力应维持在0.25～0.30MPa之间且出口压力维持在4.00～4.50kPa之间。

符 号 说 明

a——喷嘴湍流结构系数，取0.078

b——混合段断面积与扩压段出口断面积之比的平方，取0.16

Da——被引射气入口直径，mm

Dj——喷嘴直径，mm

Dt——喉管 （混合段）直径，mm

F——喉管断面与喷嘴出口断面的比值，F＝（Dt／Dj）2

fj——喷嘴口面积，mm2

fmin——喷嘴喉部面积，mm2

ft——喉管 （混合段）面积，mm2

ht——混合气动压头，Pa

k——喷射气绝热指数

ma——被引射气的质量流率，即空气被引射量，kg·s－1

mj——喷射气的质量流率，即天然气喷射量，kg·s－1

mt——混合气的质量流率，kg·s－1

Pa——被引射气压力，即大气压，Pa

Pd——扩压段恢复的静压力，Pa

Pe——混合器供气压力 （进口压力），即扩压段出口断面压力，kPa

Pi——引射段空间压力，Pa

P0——喷射气压力 （出口压力），即天然气调压柜出口压力或LNG经气化调压后压力，Pa

QB——空气热值，MJ·m－3

QL——LNG的热值，MJ·m－3

qVni——被引射气的容积流率 （标准状态），m3·h－1

qVnj——喷射气的容积流率 （标准状态），m3·h－1

Re——Reynolds数，大于3500即为紊流

SB——空气相对密度

Si——喷嘴口断面到喉部断面的距离，mm

SL——LNG的相对密度

u——质量混合比

uVn——标准容积混合比，即允许置换6T天然气的混空比上限

Va——被引射气流速，即空气流速，m·s－1

Vj——喷射气流速，即天然气流速，m·s－1

Vt——混合气流速，m·s－1

Wn——混合气的华白数，MJ·m－3

Wt——引射段空间修正系数，取1.23

XL——LNG的体积比例

Yj——综合参数

Z——综合数

β——喷射压力比

βe——临界压力比

Δ——管壁内表面的当量绝对粗糙度，钢管一般取0.1mm

ε——压力比值，取1.28

λ——混合段摩阻系数

μ——一次空气吸入流量系数，取0.88

νt——混合气运动黏度，m2·s－1

ξe——扩压段的流动阻力系数，相应于扩压段进口断面动压头，取0.05

ξm——混合段的流动阻力系数，取0.15

ξt——混合段局部阻力系数

ρi——被引射气入口段密度，即空气密度，kg·m－3

ρj——喷射气喷嘴出口密度，kg·m－3

ρni——被引射气标准状态下的密度，kg·m－3

ρnj——喷射气标准状态下的密度，kg·m－3

ρt——引射段段末密度，kg·m－3

ρ0——进入喷嘴前的喷射气密度，即天然气处于调压柜出口压力状态下或LNG经气化调压后的密度，kg·m－3

φj——喷嘴流速系数，一般取φj＝0.85

φm——混合段中动量平均流速与体积平均流速之比，取1.02

ψ——被引射气经引射器入口的压降系数。一般ψ＝0.98～0.99，对Pa＞0.1013MPa的情况可取ψ≈1.0

ψ2——扩压段静压恢复系数

［1］ Wang Fei（王飞），Cai Yaqing （蔡亚庆），Qiu Huanguang（仇焕广）.Current status，incentives and constraints for future development of biogas industry in China ［J］.TransactionsoftheCSAE（农业工程学报），2012，28（1）：184－189.

［2］ Zhao Wei （赵 伟 ）.Research of interchageability of the mixture of biogas and natural gas ［D］.Chongqing：Chongqing University，2013.

［3］ Zhao Wei （赵 伟 ），Huang Xiaomei （黄 小 美 ），Tan Shunmin （谭顺 民）.Discussion on feasibility of injecting biogas into natural gas network ［J］.Gas＆Heat（煤气与热力），2012，32 （12）：B08－B11.

［4］ Li Dong（李东），Li Lianhua （李连华），Ma Longlong （马隆龙），etal.The dry anaerobic digestion study on rice straw in Southeast China［J］.ActaEnergiaeSolarisSinica（太阳能学报），2008，29 （6）：754－758.

［5］ Li Wenjing （李文静），Zhang Tong （张彤），Li Wei（李伟），etal.Study on the characteristics of anaerobic digestion of mixed chicken manure and rice straw ［J］.JournalofNorthwestA＆FUniversity：Nat.Sci.Ed.（西北农林科技大学学报：自然科学版），2011，39（1）：137－143.

［6］ Liu Dejiang（刘德江）.Study on property and application of anaerobic digestion for livestock dung ［D］.Yangling：Northwest A＆F University，2004.

［7］ Zhou Xianlong （周宪龙），Li Qiang （李强），Huang Tao（黄涛），etal.Effect of different fermenting materials on household biogas production ［J］.JournalofAgriculture（农学学报），2012，（12）：57－61.

［8］ Xiong Xingguo（熊兴国）.Technical feasibility of application of mixed gas （liquefied natural gas＋air）mixed with coke oven gas as a transitional gas source in Zhuzhou City ［J］.UrbonGas（城市燃气），2004，（5）：16－21.

［9］ Zhu Bowei（祝博伟）.Test of natural gas appliance using mixture of reformed LPG and LPG ［J］.Gas＆Heat（煤气与热力），2009，29 （4）：B31－B34.

［10］ Song Shiwen （宋士文），Du Yongmin （杜永民），Liang Zhe（梁喆）.The natural gas mixing carbon dioxide makes up the gasification source as the methane supply station ［J］.EnergyTechnology（能源技术），2010，31 （6）：341－342.

［11］ Liu Yong （刘勇）.Research coke oven gas as gas source of natural gas ［D］.Anshan：University of Science and Technology Liaoning，2012.

［12］ Lin Dong （林冬），Deng Maozhong （邓茂忠），Li Xinfeng（李新峰）.Application of mixed gas blended with LNG at Shaoguan Iron and Steel Company ［J］.SouthernMetals（南方金属），2012，（5）：45－47.

［13］ Sun Boshi（孙伯师）.The feasibility of mixed gas of natural gas and air mixed with coke oven gas ［J］.Scienceand Technology（科技展望），2015，（6）：152.

［14］ Meng Xiang（孟祥），Chen Boyang （陈伯扬），Han Yanlai（韩燕来），etal.Test of medium pressure immediate supply for pressure mixing of natural gas and air ［J］.Gas＆Heat（煤气与热力），2003，23 （10）：597－599.

［15］ Cao Xiong（曹雄），Feng Xiaodong （冯晓东），Tan Xianjun（谭贤君），etal.Blending technique of natural gas and its application ［J］.Oil＆GasStorageandTransportation（油气储运），2009，（2）：5，10－13，70，79.

［16］ Huang Songli（黄颂丽），Guo Quanwen （郭全文），Chen Shaoxin （陈 绍 新 ），etal.Gas mixing device and its application ［J］.Gas＆Heat（煤 气 与 热 力 ），2011，31（9）：A33－A35.

［17］ Liu Wu （刘武），Ji Guowen （纪国文），Ji Hongshou （季宏寿），etal.Analysis of natural gas interchangeability under the condition of multiple gas mixed transportation：a case study in natural gas pipe network system of Zhejiang province［J］.ChemicalEngineeringofOil＆Gas（石油与天然气化工），2014，43 （4）：401－404.

［18］ Zhang Mingyi（张明益），Li Jing （李静），Zou Yingyong（周应勇），etal.Ejector technology and its application in dispose processing of natural gas ［J］.HansJournalof ChemicalEngineeringandTechnology（化学工程与技术），2013，（3）：38－41.

［19］ Wang Yudong （王雨冬）.Study of mixture parameters and process of liquefied petroleum gas mixing air ［D］.Shandong：Shandong University，2005.

［20］ Qiao Lishan （乔 立 山），Wang Yulan （王 玉 兰），Zeng Jinguang（曾锦光）.Discussion on methods of curve fitting in experimental data processing ［J］.JournalofChengdu UniversityofTechnology：Science＆TechnologyEdition（成都理工大学学报：自然科学版），2004，31 （1）：91－95.