天然气燃烧特性及其与其它燃气的互换性分析

城市煤气 (干成分) 2018 4315 613 213 / 710 1915 015 3312 / / 14306
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
Abstract The supply and price of natural gas were presented , t he characteristics of fuel and combustion for natural gas were analyzed , t he interchangeability index numbers of city gas wit h natural gas were computed by using t he A GA met hod , its results showed t hat t he two kinds of fuel gases couldn’t be ex2 changed. Problems about how to use natural gas were discussed in t he end. Keywords natural gas combustion characteristics interchangeability of fuel gases
哈尔滨
225100
郑 州
180100
成 都
340100
重 庆
158100
西 安
160100
乌鲁木齐
柴 油 0 号公交 行业用
元/ 吨 2473100 2355100 2426100 2473100 2473100 2537100 2360100
2510100 2378100
汽 油 90 号无铅
气体名称 CH4 CO H2
表 4 甲烷 、一氧化碳 、氢气的主要特性
色 、味 无色 , 微有葱臭 无色 、无臭 无色 、无臭
密度/ kg·m - 3 01715 11250 010899
低位热值/ kJ ·m - 3 35740 12630 10790
着火温度/ ℃ 530～750 610～658 510～590
地 。此外 , 我国周边国家有着丰富的天然气资 源 , 俄罗斯和中亚三国拥有剩余可采天然气储
量 58 万亿立方米 , 每年可向我国提供数百亿 立方米天然气 ; 亚太和中东地区的天然气资源 在未来几年中将形成年产液化天然气 (L N G) 5 千万吨以上的规模 , 可供我国选择利用 。国 家已拟在广东 、福建和浙江建立 L N G 接 收 站 , 同时加紧建设天然气输气干线和输配系 统 。不久将现实 “西气东输”、“北气南下”、 “海气上岸”和 “L N G 登陆”, 这些说明了我 国将大规模利用天然气〔2〕。
元/ 吨 2883100 2883100 2693100 2558100 2883100 2900100 2500100 3028100 2916100 2680100
重 油 减压 ,作 燃料用 元/ 吨 1100100 975100 1070100 1200100
900100
电 普通工业用
元/ 百 kWh
3 天然气的燃烧特性 311 天然气与城市煤气成分比较
天然气与广州城市煤气〔4〕的成分见表 3 。 天然气的特点是 : 主要成分是甲烷 CH4 , 其容 积百 分 比 通 常 为 80 % ～ 98 % ; 其 次 是 乙 烷 C2 H6 、丙烷 C3 H8 等碳氢化合物 ; 还含有少量 的 H2 、H2 S、N2 、CO2 、O2 及 H2O 等 ; 低位 热值 为 34000 ～ 41800kJ / m3 。而 城 市 煤 气 以 H2 或 CO 为主 。 312 CH4 与 CO 、H2 的燃烧特性比较
ANALYSIS ON COMBUSTION CHARACTERISTICS OF NATURAL GAS AND INTERCHANGEABIL ITY OF OTHER FUEL GASES WITH NATURAL GAS
Ma Xiaoqian (Sout h China University of Technology)
20 卷 3 期 200115 冶 金 能 源
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性 。H2 的燃烧反应机理是典型的支链反应 , 主要的基本反应是自由原子和自由基的反应 , 几乎每一个环节都发生链的支化 。这种连锁反 应的反应速度随时间变化的一个重要特征是反 应的初期有一个 “感应期”。CO 的燃烧反应 也具有像 H2 那样的支链反应特征 , 实践证 明 , CO 只有在有水存在的情况下才可能开始 快速的燃烧反应 , 因有水参加 , 这是一个复杂 的连锁反应 。一定浓度的水有利于 CO 的燃烧 反应 , 但水分过多 , 则会因降低燃烧温度而减 慢反应速度 。CH4 的燃烧机理比 H2 和 CO 复 杂 , 它在较低温度下就开始反应 , 温度区域不 同 , 反应 机 理 也 不 同 。CH4 在 低 温 ( 900 K)
(2) 燃气密度较小 , 易泄露 , 这易造成天 然气的浪费 , 且污染工作环境 , 情况严重时 , 甚至造成火灾 。同时 , 密度较小易造成燃具中 停留时间较短 , 也会影响燃烧的完全 。
(3) 火焰黑度较小 , 不利于炉内辐射传 热。
(4) 由于热值较高 , 原有配风系统难以满 足要求 , 可能造成碳黑的生成和不完全燃烧损 失增大 。
力系统实行厂网分开 , 竞价上网 , 加上严格执 行环保法规 , 对电厂排放的 SO2 进行监测 、 罚款 , 那么 , 燃煤电厂也将面临燃用天然气的 “燃气 —蒸汽联合循环”电厂的竞争 。
表 1 1990 、1997 、1998 年国际市场化石能源
价格 (单位 : 美元/ 吨标准油当量)
能 源 种 类
日本进口到岸价
7612 6813 6018
美国电厂到货价
5014 4312 4215
表 2 中国部分城市 1999 年 10 月中旬几种能源的价格
品 种
烟 煤
规格 、 工业锅炉混煤
用途 Βιβλιοθήκη Baidu度 , < 50mm
元/ 吨
北 京
260100
天 津
230100
沈 阳
240100
长 春
250100
天然气将供应于以下几个领域 : (1) 用于 以 “燃气 —蒸汽联合循环”为代表的燃用天然 气的发电机组 ; (2) 将推广应用到工业 、民用 领域 , 用于电站锅炉 、工业锅炉 、生活锅炉 、 工业炉窑 、民用灶具和燃气热水器等 ; (3) 液 化天然气还将用于机动车辆 。
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爆炸浓度范围/ % 5～16
1215～77 410～74
313 天然气燃烧可能产生的问题 由天然气物理 、化学特性可知 , 天然气在
燃用城市煤气 、石油液化气的锅炉动力设备 、 工业加热设备 、民用热水器和煤气炉等燃具中 燃烧 , 可能带来的问题有 :
(1) 因为 CH4 含量高 , 而 CH4 燃烧速度 比 H2 和湿式 CO 慢 , 这可能引起不完全燃烧 。
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冶 金 能 源 20 卷 3 期 200115
2 天然气的价格 表 1 是 1990 、1997 、1998 年国际市场化
石能源的价格〔3〕。表 2 是中国部分城市 1999 年 10 月中旬几种主要能源的价格〔3〕。
由于天然气热值较高 , 其单位热量价格较 低 , 这为其大规模的利用 , 创造了价格上的优 势 。但是 , 减少煤 、油 、液化石油气的消费 , 必然对传统能源产业的产量和效益带来直接的 影响 。煤矿企业缺乏活力 , 经营困难 , 职工下 岗 , 已是普遍存在的问题 , 加之西北 、西南 、 海域天然气开发 , 以及国外天然气引进 , 将面 临更严峻的挑战 。石化企业 、城市煤气公司也 都将不同程度的受到进口天然气的冲击 。若电
表 4 中给出了 CH4 、CO 、H2 的主要特
表 3 天然气与城市煤气成分 %
组分/ 燃气类型 CH4 H2
CO C2 H6 CnHm CO2
N2 O2 H2S ( mg/ m3) S ( mg/ m3) H2O ( mg/ m3) Qd ( kJ / m3)
天然气
95 1 011 / 214 015 1 0 400 100 012～2 35588
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天然气燃烧特性及其与其它燃气的互换性分析
马晓茜
(华南理工大学)
摘 要 介绍了天然气的供应 、价格 ; 分析了天然气的燃料特性和燃烧特性 ; 用 A GA 法 , 对天 然气和一种城市煤气进行了燃气互换性计算 , 结果表明二者不能互换 ; 最后 , 讨论了天然气利 用时应注意的问题 。 关键词 天然气 燃烧特性 燃气互换性
1 天然气供应 近年来一些国家在天然气领域增加投资的
趋势表明 , 21 世纪世界范围内将迎来大量利 用天然气的高潮 。迄今 , 全球天然气探明储量 为 404 万亿立方米 , 其中 146 万亿立方米被认 为具有开采价值 。我国天然气总资源量为 38 万亿立方米 , 其中 , 陆上为 2919 万亿立方米 , 近海 811 万亿立方米 。90 年代以来 , 天然气 平均每年增长约 10 亿立方米 , 是增长最快的 能源 。到 1997 年 , 天然气产量达到 223 亿立 方米 , 且 平 均 每 年 以 1714 %的 速 度 递 增〔1〕。 随着西部大开发的推进 , 将形成四川 、鄂尔多 斯 、塔里木盆地和海域四个主要天然气供应基
1990 年 1997 年 1998 年
天然气 欧盟进口天然气到岸价 11218 10610 9018
日本进口 LN G 到岸价 14516 15614 12210
美国市场价
6516 10112 8312
原 油 O ECD 平均价
15218 13116 8712
动力煤 西北欧市场
6512 5814 4810
33170 42120 27120 62125 57120 46118 45100
煤 气 工业用焦
炉煤气 元/ m3 0190 0182 1150 1130 1120 2190
44153 33130
0175
天然气 工业用
元/ m3 1180 1178 3100 2130 2150 1180 0198 0173 1145 1185
下反应机理的特点是生成中间产物 HCHO , 由它又生成新的活化中心 。高温下 CH4 的燃 烧反应除了氧化物的连锁反应外 , 还伴随着 CH4 的分解 。
在相同的条件 (如相同的空气系数 、相同 的可燃混合物预热温度) 下 , H2 的火焰传播 速度远大于 CO 的和 CH4 的 , 当 n = 1105 时 , H2 的 uL = 164cm/ s , CO 的 uL = 28cm/ s , CH4 的 uL = 32cm/ s 。若将可燃混合物预热至 200 ℃, 那么 H2 的 uL = 600cm/ s , CO 的 uL = 100cm/ s , CH4 的 uL = 60cm/ s 。正是火焰传播 速度的巨大差异 , 导致了这两种燃气互换时易 产生离焰和回火现象 。
(5) 火焰温度偏高 , 影响金属材料的安全 性和寿命 。
4 燃气互换性研究 411 燃气互换性研究进展
1926 年意大利工程师华白曾提出反映热 值和比重两种因素的参数 , 以控制燃气质量 , 称之为华白数 。20 年代后期 , 美国燃气协会 (A GA) 开始了较为系统的燃气互换性理论研 究 ; 70 年代 , 开始应用计算机处理大量实验 数据 , 得出离焰 、回火 、黄焰等一系列互换方 程 , 称为 A GA 法 ; 50 年代 , 法国燃气公司也 开始系统的研究 , 并于 1956 年得出第一族燃 气 , 即人工煤气的互换方法 ; 1965 年得出第 二族燃气 , 即天然气类型燃气的互换方法 , 称 为 Delburge 法 。在世界范围内 , 较有影响的 燃气互换性的判别方法有 : 华白数 , 校正华白 数 , 燃烧势 , 美国燃气协会 ( A GA) 判定方 法和德尔布 Delburge 互换图〔5〕。