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,相當于20 m3天然氣的燃燒熱值。

根據公司相關記錄可知,在2020年廣東產區“煤改氣”初期,天然氣價格約為2.4元/m3,而當時煤炭價格約900元/t左右;2023年廣東產區的燃料價格,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(不同產區,具體價格存在差異),由此可見,可見生產成本較高。

圖1顯示化石原料使用的變遷,其規律是從重油、輕油、汽油、柴油,到天然氣、醇醚方向發展,即從碳氫化合物Cn H m 的m/n朝著增大的方向發展,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,而且氫氧結合的燃燒產物是最干凈的物質——水,是最理想的CO2零排放燃料,可以用于交通、工業、建筑、電力等各種設施上,因此,開發氫能源對人類社會可持續發展具有重要意義。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能轉變成電能,將化石燃料制備成氫氣,再轉變成電,可以節省能量;沒有灰塵、沒有廢氣,環境友好;可以用多種形態的方式進行存儲和輸運[1]。

圖1 人類使用能源資源變遷規律

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

2 甲烷與氫氣的性質對比

氫氣和天然氣的主要組分甲烷物理化學性質如表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性質[2]

3 理論計算過程與結果

研究小組主要通過利用自主設計的燃氣燃燒計算分析系統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

續表2

3.1 理論空氣量和理論煙氣量的分析

由表2相關理論空氣量與理論煙氣量數據處理得到圖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生理論煙氣量數據處理得到圖3,可以看出,其單位熱值所需理論空氣量和單位熱值產生理論煙氣量在氫氣摻入體積百分含量75%～80%產生較大幅下降。結合圖2和圖3可知,在天然氣中適當摻雜一定量的氫氣隨著氫氣體積百分數增加,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生理論煙氣量數據處理得到圖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生煙氣量隨空氣過剩系數變化的速率氫氣摻入體積百分含量75%～80%產生較大幅下降。單位熱值所需空氣量隨空氣系數變化的速率表示單位熱值所需空氣量和單位熱值產生煙氣量隨空氣系數的增大而增大的速度,該值越大,則增加相同的空氣系數,燃料需消耗更多的能源[4]。由此結合圖4可知,在天然氣中適當摻雜一定量的氫氣是改善燃氣質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生煙氣量隨空氣過剩系數變化的速率變化

3.3 H 2-20混合燃料實際空氣量和實際煙氣量及燃燒產物組成隨空氣過剩系數的變化(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定的(逐漸減少)。結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應控制在23%以內。另外,提高輸送壓力是提高管道輸氣功率的有效方式。為此,在燃氣管網設計時應適當地增大設計壓力,使管網的運行壓力留有一定的余量,以應對將來形勢的變化。一旦混氫天然氣得到大規模的使用,只需在現有管道基礎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物組成隨空氣過剩系數,進行了計算分析,計算結果入表3所示。混合燃料H2-20充分燃燒時實際空氣量和實際煙氣量及燃燒產物組成隨空氣過剩系數的變化如圖5所示。

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

圖5 空氣量和煙氣量隨空氣過剩系數變化

4 結語

發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”,在發展中爭取主動權。但是,發展新能源,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,還有大量的技術難題等待

能源是構成客觀世界的3大基礎之一,人類尋找可持續的能源道路,開發利用新能源和可再生能源是完善能源系統的重點。

利用燃氣燃燒計算分析系統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、單位熱值產生理論煙氣量、單位熱值所需空氣量或單位熱值產生煙氣量隨空氣過剩系數變化的速率、空氣過剩系數與濕煙氣和干煙氣中氧百分量的關系、空氣過剩系數與空氣量和煙氣量的關系、空氣過剩系數與單位熱值空氣量和煙氣量的關系等。對規范建筑陶瓷生產過程能耗實時監控、能源優化調度、能耗數據管理等具有一定的借鑒以及指導作用。