甲烷与氢气混合燃烧的理论计算分析*

张永伟 李 萍 艾冬华 袁钧宇 梁益斌 郑锴杰 伍志良

(新明珠集团股份有限公司 广东 佛山 528099)

1 概述

天然气是存在于地下岩石储集层中以烃为主体的混合气体的统称,比重约0.65,比空气轻,具有无色、无味、无毒之特性。天然气主要由甲烷(85%)和少量乙烷(9%)、丙烷(3%)、氮(2%)和丁烷(1%)组成,此外一般有硫化氢、二氧化碳、氮和水汽和少量一氧化碳及微量的稀有气体,如氦和氩等。

天然气主要用途是作燃料,天然气每立方燃烧热值为8 000～8 500 kcal。每公斤液化气燃烧热值为11 000 kcal。气态液化气的比重为0.55。每立方液化气燃烧热值为25 200 kcal。每瓶液化气重14.5 kg,总计燃烧热值为159 500 kcal,相当于20 m3天然气的燃烧热值。

根据公司相关记录可知,在2020年广东产区“煤改气”初期,天然气价格约为2.4元/m3,而当时煤炭价格约900元/t左右;2023年广东产区的燃料价格,煤炭到厂价为1 350～1 450元/t,管道天然气价格大约是4.0、4.2元/m3,LNG 天然气价格在3.5、3.8元/m3左右(不同产区,具体价格存在差异),由此可见,可见生产成本较高。

图1显示化石原料使用的变迁,其规律是从重油、轻油、汽油、柴油,到天然气、醇醚方向发展,即从碳氢化合物Cn H m 的m/n朝着增大的方向发展,碳的使用渐渐变少,其过程就是逐步脱碳的过程,氢是最佳的方向,称得上是未来最为洁净、能量密度最大的能源。氢气资源可以来源于无穷的海水、可再生植物、煤炭、天然气等,在地球上可谓无处不在,是一种取之不尽、用之不竭的能源,而且氢氧结合的燃烧产物是最干净的物质——水,是最理想的CO2零排放燃料,可以用于交通、工业、建筑、电力等各种设施上,因此,开发氢能源对人类社会可持续发展具有重要意义。氢气和电力一样是一种二次能源,相比之下,氢气能源则是:不像石油那样分布不均匀,可以利用各种能源资源来制造氢气;利用燃料电池可以高效地将化学能转变成电能,将化石燃料制备成氢气,再转变成电,可以节省能量;没有灰尘、没有废气,环境友好;可以用多种形态的方式进行存储和输运[1]。

图1 人类使用能源资源变迁规律

为优化我司能源结构,专门成立能源研究小组对相关问题进行专项研究。笔者就天然气掺氢燃烧理论计算进行讨论分析。

2 甲烷与氢气的性质对比

氢气和天然气的主要组分甲烷物理化学性质如表1所示。表1中的密度、低热值、高热值均为20℃、标准大气压下的值。

表1 氢气和天然气的主要组分甲烷物理化学性质[2]

3 理论计算过程与结果

研究小组主要通过利用自主设计的燃气燃烧计算分析系统计算得到燃气的低位热值、理论空气量、理论烟气量、标况密度、价格、单位热值价格、单位热值所需理论空气量、单位热值产生理论烟气量等不同比例下的具体计算值[3],计算采用的标准状态为0℃、标准大气压,天然气和氢气价格分别按5元/Nm3和1.78元/Nm3计算。具体情况如表2所示。系统对不同比例甲烷(天然气)与氢气的混合燃料进行了理论计算,经过图像处理分析如下:

表2 不同比例混合气的重要性能指标

续表2

3.1 理论空气量和理论烟气量的分析

由表2相关理论空气量与理论烟气量数据处理得到图2,可以看出,随着氢气掺入比例的加大,混合燃气理论空气量和理论烟气量逐渐减少。

图2 混合燃料充分燃烧理论空气量与理论烟气量变化

由表2单位热值所需理论空气量与单位热值产生理论烟气量数据处理得到图3,可以看出,其单位热值所需理论空气量和单位热值产生理论烟气量在氢气掺入体积百分含量75%～80%产生较大幅下降。结合图2和图3可知,在天然气中适当掺杂一定量的氢气随着氢气体积百分数增加,烟气中CO 和NOX排放量有所降低。

图3 混合燃料充分燃烧单位热值所需理论空气量与单位热值产生理论烟气量变化

3.2 速率变化

由表2单位热值所需理论空气量与单位热值产生理论烟气量数据处理得到图4,可以看出,混合燃料的标况密度随着氢气的掺入量加大而呈直线降低,但是其单位热值所需空气量或单位热值产生烟气量随空气过剩系数变化的速率氢气掺入体积百分含量75%～80%产生较大幅下降。单位热值所需空气量随空气系数变化的速率表示单位热值所需空气量和单位热值产生烟气量随空气系数的增大而增大的速度,该值越大,则增加相同的空气系数,燃料需消耗更多的能源[4]。由此结合图4可知,在天然气中适当掺杂一定量的氢气是改善燃气质量与烟气排放的有效途径之一。

图4 混合燃料标况密度与单位热值所需空气量或单位热值产生烟气量随空气过剩系数变化的速率变化

3.3 H 2-20混合燃料实际空气量和实际烟气量及燃烧产物组成随空气过剩系数的变化(计算)

综上所述,理论上氢气掺入天然气体积百分量在70%以下时的变化是比较稳定的(逐渐减少)。结合利用天然气管道掺混输送氢气的可行性分析理论:氢气的渗透率高和氢脆现象的存在,使得输送氢气和天然气的混合物对管材及其处理的要求特别高。从终端用户的角度看,若要使原有灶具能正常工作,混氢天然气中氢气的体积分数应控制在23%以内。另外,提高输送压力是提高管道输气功率的有效方式。为此,在燃气管网设计时应适当地增大设计压力,使管网的运行压力留有一定的余量,以应对将来形势的变化。一旦混氢天然气得到大规模的使用,只需在现有管道基础上提高运行压力便可以满足管道的输气功率要求[5]。

研究小组对体积比为甲烷80%:氢气20%的混合燃料H2-20 的实际空气量和实际烟气量及燃烧产物组成随空气过剩系数,进行了计算分析,计算结果入表3所示。混合燃料H2-20充分燃烧时实际空气量和实际烟气量及燃烧产物组成随空气过剩系数的变化如图5所示。

表3 H 2-20实际空气量和实际烟气量及燃烧产物组成随空气过剩系数的变化(Nm3/Nm3)

图5 空气量和烟气量随空气过剩系数变化

4 结语

发展新能源是一场革命,更是一场能源效率的革命和清洁能源的革命。面对新能源危机,我们要大胆“亮剑”,在发展中争取主动权。但是,发展新能源,也不是一蹴而就的事,前进的路上还有很多未知的问题尚待破解,还有大量的技术难题等待

能源是构成客观世界的3大基础之一,人类寻找可持续的能源道路,开发利用新能源和可再生能源是完善能源系统的重点。

利用燃气燃烧计算分析系统分析燃气的低位热值、理论空气量、理论烟气量、标况密度、价格、单位热值价格、单位热值所需理论空气量、单位热值产生理论烟气量、单位热值所需空气量或单位热值产生烟气量随空气过剩系数变化的速率、空气过剩系数与湿烟气和干烟气中氧百分量的关系、空气过剩系数与空气量和烟气量的关系、空气过剩系数与单位热值空气量和烟气量的关系等。对规范建筑陶瓷生产过程能耗实时监控、能源优化调度、能耗数据管理等具有一定的借鉴以及指导作用。