CN104031707A - 一种工业燃烧用天然气气质调质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业用天然气气质调节的方法；当实际天然气的华白数低于设定的华白数时，选择华白数高于设定天然气华白数的调质气和/或惰性气进行掺混；当实际天然气的华白数高于设定的华白数时，选择华白数低于设定天然气华白数的调质气和/或惰性气进行掺混；本方法通过控制天然气的华白数和理论空气需要量能控制天然气燃烧的热负荷能力和空燃比；有利于天然气燃烧利用系统的优化调质，提高了天然气的利用效率；实用性强、控制范围广，有灵活性和可控性；可以充分利用现有的中、低热值燃气，节约天然气的资源，既能减轻对上游供应实际天然气的气质要求，又能解决常规可燃气体进行工业应用时气源气质的调节，同时降低天然气调质的成本。

Description

一种工业燃烧用天然气气质调质的方法

技术领域：

本发明涉及一种工业用天然气气质调质的方法。通过改变天然气燃烧特性（华白数、热值），达到设定天然气的要求。

背景技术：

当前我国天然气正处在高速发展时期，估计到2015年，天然气消费量将达到2400亿立方米，约为2010年气量的3倍。随着天然气供应的增加，工业燃烧用天然气量大幅度增加，尤其是采用能量梯级利用的天然气-蒸汽联合循环发电及供热装置的建设开始增加。我国天然气的气源较多，气质相差较大，而天然气-蒸汽联合循环发电、工业燃烧装置对天然气的气质要求较高，为了保证运行的安全和提高能源利用的效率，需要实时调节天然气的华白数和热值。我国天然气的储量有限，需要节约使用；同时我国各地还有许多中、低热值的燃气资源，如改制气、焦炉煤气、水煤气、发生炉煤气、矿井气、高炉煤气均可资利用。此外，目前的煤层气、页岩气的大规模开发和长距离输送入网，也将面临着气源气质调整和供应稳定的技术问题。

华白数为表征燃气燃烧负荷，取决于燃气性质的参数。对于一台燃气用具而言，喷嘴数、喷嘴直径、空气的密度以及喷嘴前后压差保持不变，如果需要更换燃气时，只要燃气的华白数不变，燃气具的热负荷就能保持不变。当置换气与基准气的成分相差不太大时，用华白数值可满足要求。热值是计算理论燃烧空气量的依据。燃气热值的定义为：1m³燃气完全燃烧释放的热量称为燃气的热值，单位为kJ/m³或MJ/m³；对于液化石油气，热值单位可以用kJ/kg或MJ/kg。热值可以分为高热值或低热值。高热值指1m³燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量。低热值指1m³燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸汽状态时所放出的热量。高、低热值数值之差为水蒸气的气化潜热。混合可燃气体的热值可由热量计测得或由单一气体的热值根据混合法则计算。理论空气需要量是指按照反应计量方程式完全燃烧1m³燃气所需要的空气量，也即完全燃烧1m³燃气所需要的最少空气量，单位是m³/m³。

当天然气、油质气、惰性气等混合气体的华白数确定后，混合燃气的热值可由其相对密度得出，进而得到理论空气量。

CN200480037786.9描述了一种液化天然气的调节方法，主要步骤是：先将液化天然气分离为富甲烷的天然气流和富多碳原子的碳氢化合物流，然后将富甲烷的天然气流再与部分液化天然气流进行换热冷却产生一部分液态压缩天然气流，将富多碳原子的碳氢化合物流输送到蒸馏器以产生天然气液流和富甲烷气体的流体；将上述得到的液态气流分离，以达到调节天然气气质和回收天然气的液体组分。

CN200680005061.0描述了一种调节液化天然气的工序，主要步骤如下：在从15到35barg的压力范围下，将液化天然气的原料流到热交换器以产生至少一部分汽化的天然气流；将上述的至少一部分流体传送到没有回流运行的蒸馏器以产生天然气液体流和富含甲烷的流；然后将富含甲烷的流体传送到热交换器，通过与部分液化天然气的原料流进行热交换而冷却,以产生液化天然气流；将液化天然气流汽化以产生调节的天然气并回收天然气液态产物。

经检索，上述两个专利均属非掺混的天然气调质方法，只是通过物理方法，将液化天然气中的重烃组分分离，根据分离的具体量来进行气质调节。本发明是用天然气以外的其他调质气及惰性气进行掺混调节有区别。

发明内容：

本发明的目的是提供一种工业燃烧用天然气气质调质的方法，当实际天然气的燃烧特性指标与设定天然气的指标有差别，并超出了工业用天然气燃烧的气质允许变化范围时，采用掺混燃气和惰性气的方法，改变天然气燃烧特性（华白数、热值），达到设定天然气的要求。

本发明的具体方案是：当实际天然气的华白数低于设定天然气的华白数时，采用“高热值的燃气+惰性气+实际天然气”进行掺混的方法；当实际天然气的华白数高于天然气的设定华白数时，采用“中、低热值的燃气+惰性气+实际天然气”进行掺混的方法。

该方法采用将天然气与不同热值燃气和烟气组分以不同比例进行混合，使之达到天然气的设定燃烧特性指标（热负荷和理论空气需要量）的要求。

本发明的特点是：

(1)通过控制天然气的华白数和理论空气需要量能控制天然气燃烧的热负荷能力和空燃比；

(2)有利于天然气燃烧利用系统的优化调质，提高天然气的利用效率；

(3)实用性强、控制范围广，有灵活性和可控性；

(4)可以充分利用现有的中、低热值燃气，节约天然气的资源。

附图说明

图1实例流程

1—空气压缩机；2—燃烧室；3—燃气透平；4—蒸汽锅炉；5—蒸汽透平；6—发电机；7—供热热交换器；8—给水加热器

具体实施方式：

掺混目标是设定天然气，掺混主体是实际天然气，掺混用调质气包括液化石油气、液化天然气、二甲醚、管道天然气、天然气改制气、焦炉煤气、水煤气、矿井气、发生炉煤气、高炉煤气等，为满足热负荷的要求，并掺混惰性气（烟气、氮气等）。当实际天然气的华白数比设定天然气的华白数低时，用高热值的燃气（液化石油气、液化二甲醚气、液化天然气等）燃气作为调质气源，并掺混惰性气。当实际天然气的华白数比设定天然气的华白数高时，根据气源的条件，可选用中低热值的燃气（管道天然气、天然气改制气、焦炉煤气、水煤气、矿井气、发生炉煤气、高炉煤气等）作为调质气源，并掺混烟气，也用惰性气（烟气和氮气等）直接进行掺混。

气质参数示例见表1。

表1气质示例

实施步骤如下：

(1)根据已有天然气气源的特性，确定燃烧装置的设定天然气参数；

(2)选择调质气源。当实际天然气的华白数低于设定的华白数时，选择华白数高于设定天然气华白数的调质气进行掺混；当实际天然气的华白数高于设定的华白数时，选择华白数低于设定天然气华白数的调质气进行掺混。

(3)确定掺混气的组成。用调质气和惰性气对实际天然气进行掺混时，为了控制天然气的华白数和热值，根据燃气华白数的定义、燃气热值的加和原理与燃气组成的归一化定律，可以得到下述方程：

$\left\{\begin{array}{c}(x{H}_1+y{H}_2+z{H}_3)/\sqrt{{\mathrm{xd}}_1+y{d}_2+z{d}_3}=W_0\\ x{H}_1+y{H}_2+z{H}_3=H_0\\ x+y+z=1\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：x,y,z——调质气、惰性气和实际天然气的体积分子分数；

H₁,H₂,H₃——调质气、惰性气和实际天然气的热值；

d₁,d₂,d₃——调质气、惰性气和实际天然气的相对密度；

W₀——掺混后燃气要达到的热值与华白数。

H₀——掺混后燃气要达到的热值与华白数。

解方程组(1)，可得出满足设定天然气热值与华白数的调质气、惰性气、实际天然气的体积分子分数。掺混方案及掺混气的组成见表2。

表2设定气相同时不同调质方案及模拟掺混组成示例

(4)通过调质气和惰性气的调节阀控制掺混的比例。

(5)将调质掺混气送入工业燃烧装置燃烧提供热能。

(6)以天然气-蒸汽联合循环发电为实例进行描述。供应天然气进行调质的天然气-蒸汽联合循环发电流程见图1。

掺混后的天然气与经空气压缩机1加压的空气一起进入燃烧室2进行燃烧，产生1600～1800℃的高温高压烟气进入燃气透平3进行膨胀做功，带动发电机6发电。经绝热膨胀降温到700～800℃的烟气进入蒸汽锅炉4，产生4～6MPa的蒸汽,进入蒸汽透平5进行膨胀做功，带动发电机6发电。膨胀做功后的低压蒸汽经与换热器7换热冷凝为水，经过给水加热器8升温后，进入蒸汽锅炉4，供产生蒸汽用。蒸汽锅炉4排出的烟气可根据需要可分出一部分用作惰性气，与调质气一并参与天然气的气质调节。

天然气-蒸汽联合循环发电过程对于天然气的气质要求较高，天然气的热负荷指标华白数一般不能超过设计值的5%，否则燃烧室内会出现燃烧脉动，损坏设备。因此，一旦天然气的华白数超标时，要进行调质。其调质气量以满足按式(1)计算出的调质气、烟气和实际天然气的体积分子分数为准。然后，通过实际天然气、调质气和烟气的调节阀控制掺混的比例，实现稳定、安全燃烧。

Claims (3)

1.一种工业燃烧用天然气气质调质的方法，其特征在于：

(1)根据已有天然气气源的特性，确定燃烧装置的设定天然气参数；

(2)选择调质气源，当实际天然气的华白数低于设定的华白数时，选择华白数高于设定天然气华白数的调质气和/或惰性气进行掺混；当实际天然气的华白数高于设定的华白数时，选择华白数低于设定天然气华白数的调质气和/或惰性气进行掺混；

(3)由下述方程确定掺混气的组成：

$\left\{\begin{array}{c}(x{H}_1+y{H}_2+z{H}_3)/\sqrt{{\mathrm{xd}}_1+y{d}_2+z{d}_3}=W_0\\ x{H}_1+y{H}_2+z{H}_3=H_0\\ x+y+z=1\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：x,y,z——调质气、惰性气和实际天然气的体积分子分数；

H₁,H₂,H₃——调质气、惰性气和实际天然气的热值；

d₁,d₂,d₃——调质气、惰性气和实际天然气的相对密度；

W₀——掺混后燃气要达到的热值与华白数；

H₀——掺混后燃气要达到的热值与华白数；

解方程组(1)，得出满足设定天然气热值与华白数的调质气、惰性气、实际天然气的体积分子分数。

2.根据权利要求1所述的一种工业燃烧用天然气气质调质的方法，其特征在于：

所述的调质气为液化石油气、液化天然气、二甲醚、管道天然气、天然气改制气、焦炉煤气、水煤气、矿井气、发生炉煤气或高炉煤气。

3.根据权利要求1所述的一种工业燃烧用天然气气质调质的方法，其特征在于：所述的惰性气为烟气、氮气。