二甲醚掺混低发热量煤层气混合气体的互换性研究

周宇

六盘水师范学院物理与电气工程学院

煤层气是指储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气，是近几十年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。目前，全球煤层气储量约124.8×1012m3，其中90%分布在12个主要产煤国家，我国的煤层气储量约为(30～35)×1012m3，居世界第3位[1-5]。

煤层气资源的开发主要分为井下抽采和地面抽采，目前主要以井下抽采方式为主，地面抽采方式为辅[6-14]，地面抽采的煤层气中甲烷体积分数达95%左右，而井下抽采的煤层气中甲烷体积分数只有10%～30%，属于低发热量煤层气。因低发热量煤层气中甲烷浓度达不到直接利用的要求，不得不排入大气中，造成巨大的能源浪费[14]。以2018年为例，全国全年煤层气抽采量为184×108m3，利用率为55.51%，其中地面煤层气产量为54×108m3，利用率为90.52%，而井下煤层气抽采量为130×108m3，利用率为40.91%。2012年至2018年，我国煤层气产量和利用率如表1所列[15]。合理利用煤层气，提高这一优质洁净新型能源的利用率，把废气变为有用的资源，对于优化我国的能源结构、减少温室气体排放、减轻大气污染、从根本上解决煤矿安全问题以及实现我国国民经济的可持续发展均具有重大意义。

表1 2012-2018年我国煤层气产量和利用率年份煤层气产量/108 m3利用率/%地面抽采量/108 m3地面抽采利用率/%井下抽采量/108 m3井下抽采利用率/%201214141.132774.0711433.33201315642.313076.6712634.13201417045.293786.4913333.83201518047.784486.3613635.29201617949.164584.4413437.31201717852.315088.7312838.20201818455.515490.5213040.91

二甲醚是一种可再生清洁能源，其分子结构式为CH3-O-CH3，可以与多种燃气掺混使用。二甲醚自带氧原子，燃烧过程中没有残渣和黑烟产生，其作为替代燃料时，烟气排放会明显降低。因此，二甲醚以其特有的物理化学性质受到广泛关注[16]。本研究通过理论计算的方法，分别利用AGA指数法和Weaver指数法对二甲醚掺混煤层气混合气体与天然气及液化石油气的互换性进行分析，判断掺混气体的互换域，为实现煤层气与二甲醚混合气体的推广使用、提高煤层气的利用率提供理论依据。此外，考虑到低发热量煤层气利用的可能渠道是并入城镇天然气管网，本研究还对混合气体并入城镇天然气管网或长输管网的互换性及其压缩因子对体积计量的影响进行了分析。

1 燃气互换性

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发热量、密度和燃烧特性发生变化时，燃具燃烧器的热负荷、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就会改变。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。但在燃气供应系统中，这样做实际上是很困难的，而且几乎是不可能的。因此，以一种燃气代替另一种燃气时，必须考虑互换性问题[17]。

燃气互换性是指在一种燃气应用中，当其运行的安全、效率、性能或增加污染物的排放等方面无实质性的变化时，一种燃气替代另一种燃气的能力。目前，我国用于预测燃气互换性的方法主要以指数法为主，包括AGA指数法和Weaver指数法[18]。AGA指数法包括离焰IL、回火IF和黄焰IY3个互换指数，由美国燃气协会(AGA)于1946年提出，并于20世纪80年代由美国燃气研究院(GRI)对其再次审定和修正；Weaver指数法包括热负荷因数JH、空气引射量JA、回火JF、离焰JL、CO排放JI和黄焰JY6个判定指数，于1951年Elmer R.Weaver结合AGA的研究方法和结果，在此基础上通过大量的实验研究提出。各项指数的计算方法以及通过实验结果和计算结果对比归纳的互换范围如表2所列。

表2 AGA指数法与Weaver指数法AGA指数法Weaver指数法互换指数计算公式互换范围互换指数计算公式互换范围ILIL=KafaAsfsAa(Ks-logfafs)<1.0JHJH=WsWa0.95～1.05JAJA=V0sdaV0ads0.80～1.20IFIF=KsfsKafaHs39 940<1.18JFJF=SfsSfa-1.4V0sdaV0ads+0.4<0.08JLJL=SfsV0sda(100-O2s)SfaV0ads(100-O2a)>0.64IYIY=fsAaYafaAsYs>1.0JIJI=V0sdaV0ads-0.366RsRa-0.634<0JYJY=V0sdaV0ads+Ns-Na110-1<0.14 注:K为离焰极限常数;f为一次空气因数;A为气体燃料完全燃烧每释放105 kJ热量所消耗的理论空气量,m3/kJ;H为燃气高发热量,kJ/m3;Y为黄焰极限常数;W为沃泊指数,kJ/m3;V0为理论空气量,m3/m3;d为相对密度;O2为燃气中氧气的体积分数,%;Sf为火焰速度指数;N为每100个燃气分子中燃烧时容易析出的碳原子数;R为燃气中氢原子数与碳氢化合物中碳原子数的比值,下标a和s分别代表基准气和置换气。式中所有体积均为标准状况(0 ℃、101.325 kPa)下的体积。

2 燃气燃烧互换性

2.1 低发热量煤层气、天然气及液化石油气成分

贵州省煤层气资源总量为3.15×1012m3，约占全国的10%，居全国第二，仅次于山西。贵州省煤层气资源主要分布于六盘水煤田、织纳煤田、黔北煤田，占全省煤层气资源量的92.8%。选取六盘水、盘州、兴义3个地区的代表性煤矿，分别对矿区井下抽取煤层气的成分进行调研，结果如表3所列。从气体中甲烷含量可以判断，上述地区井下抽取的煤层气均属于低发热量煤层气。

表3 贵州省盘州、六盘水、兴义地区某矿区煤层气成分φ/%成分盘州某矿区六盘水某矿区兴义某矿区CH420.0025.0030.00N263.0061.5053.76CO210.502.2011.24C2H62.503.002.00C3H81.501.50C4H101.00CO6.00O20.60其他1.501.701.50

贵州地区民用天然气主要由贵阳输气站运输到各个地方，根据气质分析报告，天然气组成列于表4，液化石油气组成列于表5。

表4 贵州地区天然气组成%成分体积分数成分体积分数CH496.798 2N20.807 5C2H60.937 4CO21.257 5C3H80.131 3i-C4H100.017 2n-C4H100.023 3C5+0.027 1

表5 贵州地区液化石油气组成%成分体积分数成分体积分数CH410C5H1210C2H65C2H43C3H816C3H68C4H1043C4H85

2.2 互换性计算结果及讨论

2.2.1AGA指数

图1(a)～图1(c)所示分别为以天然气为基准气条件下，盘州、六盘水、兴义3个地区低发热量煤层气、二甲醚混合气体的AGA互换预测结果随二甲醚掺混比例的变化情况。离焰指数IL和黄焰指数IY均随着二甲醚掺混比例的增加而下降。就离焰指数IL而言，随着二甲醚掺混比例的增加，互换性预测结果由不能互换到完全互换，其转折点为80%；而对于黄焰指数IY，随着二甲醚掺混比例的增加，互换性预测结果由完全互换到勉强互换，其转折点分别为80%(六盘水、兴义)和82%(盘州)；回火指数IF随着二甲醚掺混比例的增加而上升，且在整个考虑的掺混比例范围内的互换性判定结果均为不能互换。

二甲醚的掺混可以降低低发热量煤层气、二甲醚混合气体与天然气互换时的离焰倾向，但是会增加产生黄焰的可能性，且低发热量煤层气中甲烷含量越低，产生黄焰的可能性越大。低发热量煤层气与天然气互换时本身就会出现回火倾向，当掺入二甲醚后，回火倾向并不能得到改善。因此，根据AGA互换性预测结果，低发热量煤层气中二甲醚掺混比例宜控制为80%，但需要采取防止回火的措施，如适当减小火孔直径。

图2(a)～图2(c)所示分别为以液化石油气为基准气条件下，盘州、六盘水、兴义3个地区低发热量煤层气、二甲醚混合气体的AGA互换预测结果随二甲醚掺混比例的变化情况。

从图2中可以看出，AGA各项互换指数随二甲醚掺混比例的变化规律与天然气为基准气时一致，二甲醚的掺混可以降低低发热量煤层气、二甲醚混合气体与液化石油气互换时的离焰倾向，但是会增加产生黄焰和回火的倾向。不同的是在整个考虑的掺混比例范围内，离焰指数IL和回火指数IF的互换性预测结果均为不能互换，而黄焰指数IY的互换性预测结果为完全互换。根据AGA互换性预测结果，不建议使用低发热量煤层气、二甲醚掺混气体与液化石油气进行互换。

2.2.2Weaver指数

图3(a)～图3(c)所示分别为以天然气为基准气条件下，盘州、六盘水、兴义3个地区低发热量煤层气、二甲醚混合气体的Weaver互换预测结果随二甲醚掺混比例的变化情况。除了回火指数JF，其余各项指数均随着二甲醚掺混比例的增加而上升。

从图3可以看出，随着二甲醚掺混比例的增加，热负荷因数JH、空气引射量JA、离焰指数JL的互换性预测结果均由不能互换到完全互换，其转折点分别为82%、80%、60%。在整个考虑的掺混比例范围内不完全燃烧指数JI和黄焰指数JY的互换性预测结果均为可以完全互换，回火指数JF则为不能互换。

二甲醚的掺混可以降低低发热量煤层气、二甲醚混合气体与天然气互换时的离焰倾向，增加热负荷及空气引射能力，同时也能轻微地缓解回火现象，但在一定程度上增加了互换时不完全燃烧及黄焰现象的产生。因此，与AGA互换性预测结果一样，根据Weaver互换性预测结果，低发热量煤层气中二甲醚掺混比例宜控制为80%，但需要采取防止回火的措施，如适当减小火孔直径。

图4(a)～图4(c)所示分别为以液化石油气为基准气条件下，盘州、六盘水、兴义3个地区低发热量煤层气、二甲醚混合气体的Weaver互换预测结果随二甲醚掺混比例的变化情况。与天然气为基准气时一样，除了回火指数JF，其余各项指数均随着二甲醚掺混比例的增加而上升，只是变化幅度明显降低。

在整个考虑的掺混比例范围内，除了不完全燃烧指数JI和黄焰指数JY的互换性预测结果为可以完全互换外，其余指数的互换性预测结果均为不能互换。因此可以得出相同的结论，即不建议使用低发热量煤层气、二甲醚掺混气体与液化石油气进行互换。

2.2.3AGA与Weaver指数法的对比分析

根据上述有关AGA和Weaver指数法对低发热量煤层气、二甲醚混合气体与天然气或液化石油气的互换性预测结果可以看出，两种指数法在互换性的预测上呈现出一致性。以天然气为基准气时，用两种指数法的预测结果均可得出同一种结论，即低发热量煤层气中二甲醚掺混比例宜控制为80%，但需要采取防止回火的措施；而以液化石油气为基准气时，同名指数的互换性预测结果保持一致，最终也可得出相同的结论。

综上可以考虑，在低发热量煤层气中掺混二甲醚以提高其利用效率，与天然气进行互换时二甲醚掺混比例宜控制为80%，但不建议该掺混气体与液化石油气互换。

3 并入城镇天然气管网或长输管网的互换性评价

低发热量煤层气利用的可能渠道是并入城镇天然气管网。目前，城市管网及长输管网均是按照输送天然气的标准进行设计建造的，如果将低发热量煤层气及其混合气体并入现有的天然气管网或长输管网，就需要考虑进入长输管网的天然气互换性。根据GB/Z 33440-2016《进入长输管网天然气互换性一般要求》，代替气源或混输气源与现有气源的互换性的主要判定参数是沃泊指数和相对密度，其允许变化范围分别为42.34～53.81 MJ/m3、0.55～0.77 MJ/m3。参照GB/T 11062-2014《天然气 发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》，对低发热量煤层气/二甲醚混合气体的沃泊指数和相对密度进行计算，结果列于表6。

表6 低发热量煤层气/二甲醚混合气体的沃泊指数和相对密度(101.325 kPa,20 ℃)二甲醚掺混比例/%030506070808286沃泊指数/ (MJ·m-3)15.6528.3335.73 39.18 42.50 45.68 46.31 47.54 相对密度0.901.091.21 1.28 1.34 1.40 1.41 1.44

从表6可以看出，为使混输气源能够满足长输管网的互换性要求，低发热量煤层气中二甲醚掺混比例的最低值应为70%。因此，要求混合气体中二甲醚掺混比例必须不小于70%。另一方面，由于煤层气中含有大量氮气，且掺混二甲醚，两者相对密度分别为1.25和1.97。因此，无论是纯低发热量煤层气，还是掺混二甲醚后的混合气体，相对密度都超出了并入长输管道的互换性要求范围，为解决相对密度问题，可以考虑将掺混气体换成相对密度较低的氢气。

4 掺混气体的压缩因子

正式利用低发热量煤层气前，还应该考虑输送和计量问题，并入城镇天然气管网是输送选项之一，而计量就涉及到压缩因子或密度的计算问题。综合燃烧互换性和管网混输互换性要求，低发热量煤层气中掺混二甲醚的比例宜控制为80%，考虑到天然气供气管网中压力一般为0.2～0.3 MPa，介质温度一般为-10～40 ℃，参照GB/T 11062-2014，对80%二甲醚掺混比例下低发热量煤层气和二甲醚混合气体的压缩因子进行计算。AGA8-92DC方程是ISO 12213-2:2006《天然气压缩因子的计算用物性值进行计算》推荐的一个计算工作状态下天然气压缩因子精度较高的方程[19]，如式(1)所示。由于该方程计算过程比较复杂，本研究采用美国加利福尼亚天然气协会(CNGA)公式，如式(2)所示。根据文献计算结果对比可知，通过CNGA公式计算的压缩因子与AGA8-92DC公式计算的结果误差均小于±1%[20]，压缩因子计算结果列于表7。

AGA8-92DC方程：

(1)

CNGA公式：

(2)

式中：p为压强，MPa；T为温度，K；Δ取气体相对密度。

表7 压缩因子计算数值表压力/MPa263 K273 K283 K293 K303 K313 K0.210.843 0010.860 9820.876 6490.890 3090.902 2320.912 6530.220.836 7460.855 3200.871 5300.885 6830.898 0510.908 8730.230.830 5820.849 7320.866 4700.881 1040.893 9080.905 1240.240.824 5090.844 2160.861 4690.876 5730.889 8040.901 4050.250.818 5240.838 7720.856 5250.872 0880.885 7370.897 7170.260.812 6250.833 3970.851 6370.867 6490.881 7070.894 0600.270.806 8100.828 0910.846 8050.863 2540.877 7140.890 4310.280.801 0790.822 8520.842 0280.858 9040.873 7560.886 8320.290.795 4280.817 6790.837 3040.854 5980.869 8350.883 2630.300.789 8560.812 5700.832 6330.850 3350.865 9480.879 721

采用同样的方法计算出标准状况下(101.325 kPa，20 ℃)时的压缩因子Zn=0.944 582。通过表7的数据看出：当介质压力为0.2 MPa、温度为40 ℃时,压缩因子对流量计量的影响最小(Zn/Z=0.944 582/0.912 653=1.034 985)；当介质压力为0.3 MPa,温度为-10 ℃时,压缩因子对流量计量的影响最大(Zn/Z=0.944 582/0.789 856=1.195 892)。

5 结论

(1) AGA和Weaver两种指数法在互换性的预测上呈现出一致性。

(2) 低发热量煤层气中掺混二甲醚可以改善离焰现象，增加热负荷及空气引射能力，但是增加了黄焰、回火和不完全燃烧倾向。

(3) 可以考虑在低发热量煤层气中掺混二甲醚以提高其利用效率，与天然气进行互换时二甲醚掺混比例宜控制为80%，但不建议该掺混气体与液化石油气互换。

(4) 为使混输气源能够满足长输管网的互换性要求，混合气体中二甲醚掺混比例必须大于等于70%。然而，无论是纯低发热量煤层气，还是掺混二甲醚后的混合气体，相对密度都超出了并入长输管道的互换性要求范围，为解决相对密度问题，可以考虑将掺混气体换成相对密度较低的氢气。

(5) 当介质压力为0.2 MPa,温度为40 ℃时,压缩因子对流量计量的影响最小(Zn/Z=0.944 582/0.912 653=1.034 985)；当介质压力为0.3 MPa,温度为-10 ℃时,压缩因子对流量计量的影响最大(Zn/Z=0.944 582/0.789 856=1.195 892)。