甲烷與氫氣混合燃燒的理論計算分析*

張永偉 李 萍 艾冬華 袁鈞宇 梁益斌 鄭鍇杰 伍志良

(新明珠集團股份有限公司 廣東 佛山 528099)

1 概述

天然氣是存在于地下巖石儲集層中以烴為主體的混合氣體的統(tǒng)稱,比重約0.65,比空氣輕,具有無色、無味、無毒之特性。天然氣主要由甲烷(85%)和少量乙烷(9%)、丙烷(3%)、氮(2%)和丁烷(1%)組成,此外一般有硫化氫、二氧化碳、氮和水汽和少量一氧化碳及微量的稀有氣體,如氦和氬等。

天然氣主要用途是作燃料,天然氣每立方燃燒熱值為8 000～8 500 kcal。每公斤液化氣燃燒熱值為11 000 kcal。氣態(tài)液化氣的比重為0.55。每立方液化氣燃燒熱值為25 200 kcal。每瓶液化氣重14.5 kg,總計燃燒熱值為159 500 kcal,相當(dāng)于20 m3天然氣的燃燒熱值。

根據(jù)公司相關(guān)記錄可知,在2020年廣東產(chǎn)區(qū)“煤改氣”初期,天然氣價格約為2.4元/m3,而當(dāng)時煤炭價格約900元/t左右;2023年廣東產(chǎn)區(qū)的燃料價格,煤炭到廠價為1 350～1 450元/t,管道天然氣價格大約是4.0、4.2元/m3,LNG 天然氣價格在3.5、3.8元/m3左右(不同產(chǎn)區(qū),具體價格存在差異),由此可見,可見生產(chǎn)成本較高。

圖1顯示化石原料使用的變遷,其規(guī)律是從重油、輕油、汽油、柴油,到天然氣、醇醚方向發(fā)展,即從碳氫化合物Cn H m 的m/n朝著增大的方向發(fā)展,碳的使用漸漸變少,其過程就是逐步脫碳的過程,氫是最佳的方向,稱得上是未來最為潔凈、能量密度最大的能源。氫氣資源可以來源于無窮的海水、可再生植物、煤炭、天然氣等,在地球上可謂無處不在,是一種取之不盡、用之不竭的能源,而且氫氧結(jié)合的燃燒產(chǎn)物是最干凈的物質(zhì)——水,是最理想的CO2零排放燃料,可以用于交通、工業(yè)、建筑、電力等各種設(shè)施上,因此,開發(fā)氫能源對人類社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。氫氣和電力一樣是一種二次能源,相比之下,氫氣能源則是:不像石油那樣分布不均勻,可以利用各種能源資源來制造氫氣;利用燃料電池可以高效地將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能,將化石燃料制備成氫氣,再轉(zhuǎn)變成電,可以節(jié)省能量;沒有灰塵、沒有廢氣,環(huán)境友好;可以用多種形態(tài)的方式進行存儲和輸運[1]。

圖1 人類使用能源資源變遷規(guī)律

為優(yōu)化我司能源結(jié)構(gòu),專門成立能源研究小組對相關(guān)問題進行專項研究。筆者就天然氣摻氫燃燒理論計算進行討論分析。

2 甲烷與氫氣的性質(zhì)對比

氫氣和天然氣的主要組分甲烷物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示。表1中的密度、低熱值、高熱值均為20℃、標準大氣壓下的值。

表1 氫氣和天然氣的主要組分甲烷物理化學(xué)性質(zhì)[2]

3 理論計算過程與結(jié)果

研究小組主要通過利用自主設(shè)計的燃氣燃燒計算分析系統(tǒng)計算得到燃氣的低位熱值、理論空氣量、理論煙氣量、標況密度、價格、單位熱值價格、單位熱值所需理論空氣量、單位熱值產(chǎn)生理論煙氣量等不同比例下的具體計算值[3],計算采用的標準狀態(tài)為0℃、標準大氣壓,天然氣和氫氣價格分別按5元/Nm3和1.78元/Nm3計算。具體情況如表2所示。系統(tǒng)對不同比例甲烷(天然氣)與氫氣的混合燃料進行了理論計算,經(jīng)過圖像處理分析如下:

表2 不同比例混合氣的重要性能指標

續(xù)表2

3.1 理論空氣量和理論煙氣量的分析

由表2相關(guān)理論空氣量與理論煙氣量數(shù)據(jù)處理得到圖2,可以看出,隨著氫氣摻入比例的加大,混合燃氣理論空氣量和理論煙氣量逐漸減少。

圖2 混合燃料充分燃燒理論空氣量與理論煙氣量變化

由表2單位熱值所需理論空氣量與單位熱值產(chǎn)生理論煙氣量數(shù)據(jù)處理得到圖3,可以看出,其單位熱值所需理論空氣量和單位熱值產(chǎn)生理論煙氣量在氫氣摻入體積百分含量75%～80%產(chǎn)生較大幅下降。結(jié)合圖2和圖3可知,在天然氣中適當(dāng)摻雜一定量的氫氣隨著氫氣體積百分數(shù)增加,煙氣中CO 和NOX排放量有所降低。

圖3 混合燃料充分燃燒單位熱值所需理論空氣量與單位熱值產(chǎn)生理論煙氣量變化

3.2 速率變化

由表2單位熱值所需理論空氣量與單位熱值產(chǎn)生理論煙氣量數(shù)據(jù)處理得到圖4,可以看出,混合燃料的標況密度隨著氫氣的摻入量加大而呈直線降低,但是其單位熱值所需空氣量或單位熱值產(chǎn)生煙氣量隨空氣過剩系數(shù)變化的速率氫氣摻入體積百分含量75%～80%產(chǎn)生較大幅下降。單位熱值所需空氣量隨空氣系數(shù)變化的速率表示單位熱值所需空氣量和單位熱值產(chǎn)生煙氣量隨空氣系數(shù)的增大而增大的速度,該值越大,則增加相同的空氣系數(shù),燃料需消耗更多的能源[4]。由此結(jié)合圖4可知,在天然氣中適當(dāng)摻雜一定量的氫氣是改善燃氣質(zhì)量與煙氣排放的有效途徑之一。

圖4 混合燃料標況密度與單位熱值所需空氣量或單位熱值產(chǎn)生煙氣量隨空氣過剩系數(shù)變化的速率變化

3.3 H 2-20混合燃料實際空氣量和實際煙氣量及燃燒產(chǎn)物組成隨空氣過剩系數(shù)的變化(計算)

綜上所述,理論上氫氣摻入天然氣體積百分量在70%以下時的變化是比較穩(wěn)定的(逐漸減少)。結(jié)合利用天然氣管道摻混輸送氫氣的可行性分析理論:氫氣的滲透率高和氫脆現(xiàn)象的存在,使得輸送氫氣和天然氣的混合物對管材及其處理的要求特別高。從終端用戶的角度看,若要使原有灶具能正常工作,混氫天然氣中氫氣的體積分數(shù)應(yīng)控制在23%以內(nèi)。另外,提高輸送壓力是提高管道輸氣功率的有效方式。為此,在燃氣管網(wǎng)設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)?shù)卦龃笤O(shè)計壓力,使管網(wǎng)的運行壓力留有一定的余量,以應(yīng)對將來形勢的變化。一旦混氫天然氣得到大規(guī)模的使用,只需在現(xiàn)有管道基礎(chǔ)上提高運行壓力便可以滿足管道的輸氣功率要求[5]。

研究小組對體積比為甲烷80%:氫氣20%的混合燃料H2-20 的實際空氣量和實際煙氣量及燃燒產(chǎn)物組成隨空氣過剩系數(shù),進行了計算分析,計算結(jié)果入表3所示?；旌先剂螲2-20充分燃燒時實際空氣量和實際煙氣量及燃燒產(chǎn)物組成隨空氣過剩系數(shù)的變化如圖5所示。

表3 H 2-20實際空氣量和實際煙氣量及燃燒產(chǎn)物組成隨空氣過剩系數(shù)的變化(Nm3/Nm3)

圖5 空氣量和煙氣量隨空氣過剩系數(shù)變化

4 結(jié)語

發(fā)展新能源是一場革命,更是一場能源效率的革命和清潔能源的革命。面對新能源危機,我們要大膽“亮劍”,在發(fā)展中爭取主動權(quán)。但是,發(fā)展新能源,也不是一蹴而就的事,前進的路上還有很多未知的問題尚待破解,還有大量的技術(shù)難題等待

能源是構(gòu)成客觀世界的3大基礎(chǔ)之一,人類尋找可持續(xù)的能源道路,開發(fā)利用新能源和可再生能源是完善能源系統(tǒng)的重點。

利用燃氣燃燒計算分析系統(tǒng)分析燃氣的低位熱值、理論空氣量、理論煙氣量、標況密度、價格、單位熱值價格、單位熱值所需理論空氣量、單位熱值產(chǎn)生理論煙氣量、單位熱值所需空氣量或單位熱值產(chǎn)生煙氣量隨空氣過剩系數(shù)變化的速率、空氣過剩系數(shù)與濕煙氣和干煙氣中氧百分量的關(guān)系、空氣過剩系數(shù)與空氣量和煙氣量的關(guān)系、空氣過剩系數(shù)與單位熱值空氣量和煙氣量的關(guān)系等。對規(guī)范建筑陶瓷生產(chǎn)過程能耗實時監(jiān)控、能源優(yōu)化調(diào)度、能耗數(shù)據(jù)管理等具有一定的借鑒以及指導(dǎo)作用。