低热值煤层气掺混氢气、二甲醚混合气体与天然气互换性研究

周 宇

(六盘水师范学院物理与电气工程学院,贵州 553004)

1 燃气互换性

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。其中AGA指数法包括离焰IL、回火IF和黄焰IY三个互换指数，由美国燃气协会(A.G.A)于1946年提出，并于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JY六个判定指数，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见表1。

表1 AGA指数与Weaver指数

其中，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105kJ热量所消耗的理论空气量，m3；H为燃气高热值，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为燃气中氧气的容积成分，%；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，气体体积计量状态为：温度15℃，压强101.325kPa。

2 结果与讨论

2.1 低热值煤层气及天然气成分

贵州省煤层气资源总量为3.15万亿m3，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%。本文选取六盘水盘州市某代表性煤矿作为对象，对矿区井下抽取煤层气的成分进行调研，结果见表2。煤层气高、低热值分别为11930kJ/m3、10832kJ/m3，属于低热值煤层气。贵州地区民用天然气主要以贵阳输气站运输到各个地方，根据气质分析报告，天然气成分组成见表3。

表2 贵州省盘州市某矿区煤层气容积成分

表3 贵州地区天然气容积成分

2.2 低热值煤层气掺混氢气互换性

表4为低热值煤层气掺混氢气混合气体与天然气互换性的AGA指数与Weaver指数判定结果。可以看出，无论是AGA指数还是Weaver指数，当氢气掺混比例从10%到95%，掺混后的混合气体与天然气互换时，均会出现回火现象，且随着氢气掺混比例的增加越发严重，这是因为氢气的火焰传播速度大于甲烷的火焰传播速度，说明在判断回火时，AGA指数与Weaver指数是一致的；同时，无论是AGA指数还是Weaver指数，当氢气掺混比例从10%到95%，与天然气互换时均不会出现黄焰现象，但AGA指数表明随着氢气掺混比例的增加越不容易发生，而Weaver指数则变化不大甚至出现相反的趋势，根据氢气燃烧的性质可知，在判断黄焰时，AGA指数法更为准确；当氢气掺混比例较小，与天然气互换时还会同时存在离焰现象，这也是由于氢气和甲烷火焰传播速度的较大差异导致的，氢气的火焰传播速度大约是甲烷的5倍，通过Weaver指数判断，氢气掺混比例达45%时离焰现象开始消失，而AGA指数判定则需要将氢气掺混比例提高至80%离焰现象才勉强消失，在判断离焰现象时，AGA指数明显比Weaver指数苛刻。

表4 低热值煤层气掺混氢气互换性判定结果

Weaver指数较AGA指数增加了有关热负荷、空气引射能力和不完全燃烧方面的判定指数。随着氢气的掺混比例的增大，热负荷指数也随之增大，主要是由于低热值煤层气中掺入可燃气体氢气的同时降低了不可燃成分氮气的含量，但是由于甲烷的热值大约是氢气的热值的3倍，掺混气体与天然气仍然不可互换；对天然气来讲，完全燃烧释放相等热量所需的理论空气量基本不变，可认为一次空气系数与华白数成反比，因此，空气引射指数与热负荷指数差异很小，空气引射指数也是随着氢气的掺混比例的增大而增大，但是均小于1，说明置换后一次空气系数增大，原因是氢气燃烧所需的空气量是甲烷燃烧所需空气量的1/4，导致空气过剩；从不完全燃烧指数结果可以看出，无论氢气掺混比例为多少，混合气体与天然气互换时均不会出现不完全燃烧现象。

2.3 提浓低热值煤层气掺混氢气互换性

低热值煤层气中甲烷含量较低，直接利用比较困难，利用之前进行提浓(即提高甲烷浓度)可以有效提高低热值煤层气的利用率。低热值煤层气中含有大量的氮气，提高甲烷含量亦即对甲烷和氮气进行分离，主要有吸附分离、膜分离、溶液吸收分离及深冷分离等方法。

如图1所示，当低热值煤层气甲烷浓度分别提高至40%、60%后掺混氢气与天然气互换性时各判定指数对比情况。

注：图中横坐标均为氢气掺混比例/%图1 低热值煤层气不同甲烷含量时各互换性判定指数随氢气掺混比例变化情况

AGA指数中，相同氢气掺混比例下，离焰指数随着煤层气中甲烷浓度的提高而降低，降低了离焰倾向，煤层气未提浓、甲烷浓度提高至40%及60%时，为使离焰指数满足互换性所需掺混的氢气比例分别为85%、75%和65%；相同氢气掺混比例下，回火指数随着煤层气中甲烷浓度的提高而减低，降低了回火倾向，如前所述，主要是由于氢气火焰传播速度较甲烷大约5倍，且在所讨论范围内，均不满足互换性要求；类似的，相同氢气掺混比例下，黄焰指数也随着煤层气中甲烷浓度的提高而下降，增加了黄焰倾向，但在本文所讨论的范围内，均满足互换要求。

Weaver指数中，相同氢气掺混比例下，除回火指数外，其余判定指数均随着煤层气中甲烷浓度的提高而增大。甲烷浓度的提高，置换气热值增大，热负荷指数朝着满足互换性方向发展，然而由于氢气热值低，在所讨论的范围内，热负荷均不满足互换要求，引射指数由于氢气和甲烷燃烧所需空气量的巨大差异也呈现同样的规律；与AGA指数类似，煤层气中甲烷浓度的提高降低了离焰倾向，煤层气未提浓、甲烷浓度提高至40%及60%时，为使离焰指数满足互换性所需掺混的氢气比例分别为45%、30%和15%；相同氢气掺混比例下，煤层气中甲烷含量的提高增加了不完全燃烧和黄焰倾向，但在本文所讨论范围内均满足互换要求；相同氢气掺混比例下，煤层气中甲烷含量的提高对回火影响不大，因为回火主要是由氢气引起的。

2.4 低热值煤层气掺混氢气+二甲醚互换性

由于氢气热值较低，低热值煤层气中掺混氢气与天然气进行互换时，热负荷始终无法满足互换要求。二甲醚的热值高于甲烷，是甲烷的约1.7倍，掺混氢气的同时掺混二甲醚可以提高混合气体的热值，图2所示为氢气掺混比例为20%，低热值煤层气不同甲烷含量时二甲醚掺混比例对混合气体互换性的影响。

注：图中横坐标均为二甲醚掺混比例/%图2 低热值煤层气不同甲烷含量时各互换性判定指数随二甲醚掺混比例变化情况

AGA指数中，当煤层气中甲烷浓度不变时，随着二甲醚掺混比例的增大，离焰指数和黄焰指数下降，回火指数上升，降低了离焰倾向，增加了黄焰和回火倾向；当煤层气中甲烷浓度提高时，离焰指数、黄焰指数和回火指数均呈现下降的趋势，降低了离焰和回火倾向，但会增加出现黄焰的可能性。

Weaver指数中，当煤层气中甲烷浓度不变时，除了回火指数，其余指数均随着二甲醚掺混比例的增大而增大，与煤层气中甲烷浓度对互换性的影响一致，促进热负荷指数和空气引射指数趋向于满足互换性要求，同时降低了离焰倾向，但是增加了回火倾向和不完全燃烧倾向，以及出现黄焰的可能性，但是在所讨论的范围内，不完全燃烧和黄焰始终是满足互换性要求的，但是回火现象并不能得到明显改善。

综上所述，当氢气掺混比例控制为20%，煤层气未提浓、甲烷浓度提高至40%及60%时，为满足互换性要求，二甲醚掺混比例宜控制在60%、50%和40%，但是需要采用一些防止回火的措施，如适当减小火孔直径，若进一步提高氢气掺混比例，二甲醚掺混比例还可降低。

3 结论

(1)AGA指数与Weaver指数在判断回火时是一致的，在判断黄焰时，AGA指数法更为准确，而在判断离焰现象时，AGA指数明显比Weaver指数苛刻。

(2)提高低热值煤层气中氢气掺混比例，可促进热负荷指数和空气引射指数趋向于满足互换性要求，降低了离焰和黄焰倾向，同时增加了回火倾向和不完全燃烧倾向，但由于氢气热值较低、燃烧所需理论空气量较小，在与天然气互换时，混合气体热负荷和空气引射始终无法满足互换性要求，而不完全燃烧现象在所讨论的范围内均满足互换要求。

(3)提高低热值煤层气中甲烷浓度或二甲醚掺混比例，可促进热负荷指数和空气引射指数趋向于满足互换性要求，同时降低了离焰倾向，但是增加了回火倾向和不完全燃烧倾向，以及出现黄焰的可能性，但是在所讨论的范围内，不完全燃烧和黄焰始终是满足互换性要求的，但是回火现象并不能得到明显改善。

(4)当氢气掺混比例控制为20%，煤层气未提浓、甲烷浓度提高至40%及60%时，为满足互换性要求，二甲醚掺混比例宜控制在60%、50%和40%，但是需要采用一些防止回火的措施，如适当减小火孔直径，若进一步提高氢气掺混比例，二甲醚掺混比例还可降低。