邢慧娟 秦朝葵 周 宇

（同濟(jì)大學(xué)機械與能源工程學(xué)院）

進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國天然氣的用氣量及產(chǎn)氣量均不斷增加，“十二五”期間我國將繼續(xù)提高天然氣在一次能源消費中所占的比重。與此同時，許多供氣企業(yè)面臨用氣高峰氣源不足的情況?！短烊粴饫谜摺芬?guī)定，天然氣用戶分為優(yōu)先類、允許類、限制類和禁止類。其中，居民用戶屬于優(yōu)先類，工業(yè)項目則屬于限制類或禁止類。在用氣高峰時，供氣企業(yè)需優(yōu)先保證居民用氣，將不得不對一些工業(yè)用戶停止供氣，大大降低了工業(yè)用戶使用天然氣的意愿及傾向。

二甲醚又稱甲醚，簡稱DME，是一種綠色能源［1－4］，毒性很低，無致癌性，對大氣臭氧層無損害，在大氣對流層中容易降解，既安全又環(huán)保，常溫下蒸氣壓為0．6MPa，具有與液化石油氣（LPG）相似的物性。二甲醚熱值較高（低熱值58．80MJ／m3）［5］，燃燒性能好［6－7］。若將二甲醚作為用氣高峰時的摻混氣源［8－9］，既可解決天然氣氣源不足的問題，又能拓展二甲醚市場，同時有利于環(huán)保要求。

本文通過實驗研究工業(yè)燃燒器對二甲醚摻混天然氣的適應(yīng)性，旨在確定二甲醚作為摻混氣源將對工業(yè)燃燒器產(chǎn)生哪些影響、二者的最佳摻混比例如何。研究的意義在于為燃?xì)夤景l(fā)展 “可中斷”用戶可采取哪些技術(shù)對策提供技術(shù)依據(jù)。結(jié)果表明：工業(yè)燃燒器在摻混不同比例的二甲醚時，具有較強的適應(yīng)性。供氣企業(yè)若將二甲醚以適當(dāng)?shù)男问脚c天然氣結(jié)合起來，可有效緩解資源限制導(dǎo)致的用戶拓展問題，有效地快速開發(fā)下游市場。

1 實驗內(nèi)容

1．1 實驗流程

圖1為二甲醚與天然氣摻混系統(tǒng)設(shè)計及摻混燃燒性能測試的流程圖。實驗中，天然氣（8kPa）和二甲醚經(jīng)過等壓比例裝置混合后進(jìn)入燃燒器燃燒。利用膜式流量計分別測量天然氣及混合氣流量，并對其進(jìn)行溫度壓力修正。燃燒器功率通過燃?xì)饬髁坑嬎悖行Ю玫哪芰縿t用火焰筒中冷卻水吸收的熱量來代表。通過煙氣分析儀測量離開火焰筒的煙氣成分。必須指出：火焰筒的結(jié)構(gòu)與實際運行的鍋爐等差別很大，此處測得的熱效率僅為一種參考，不能作為真正的熱效率。

1．1．1 測試儀表

實驗中，天然氣及混合氣流量分別用CQ3000－C及BK－G2．5M膜式流量計測量，前者等級精度B級，量程0．04～6m3／h；后者等級精度B級，量程0．025～4m3／h。測試前，采用精度更高的品川濕式流量計對其標(biāo)定并得出校正曲線，其精度為1／2量程以下±0．1%，1／2量程以上0．15%，量程0．002～6m3／h。使用Pt100熱電阻和U型壓力計測量天然氣溫度和壓力。使用1540D2T渦輪流量計、Pt100熱電阻測量冷卻水的流量及進(jìn)出口溫度。煙氣組分利用Kane－KM9106分析儀測定，煙氣溫度利用T分度熱電偶測量。為連續(xù)監(jiān)測燃燒器在不同二甲醚摻混比例下的性能，開發(fā)了基于Lab－VIEW的虛擬儀表系統(tǒng)，所有溫度、混合氣流量及冷卻水流量均通過LabVIEW系統(tǒng)輸入電腦，煙氣組分?jǐn)?shù)據(jù)由FireWorks軟件輸入電腦。

1．1．2 摻混系統(tǒng)

比例摻混裝置由電磁閥和文丘里型比例混合器組成。文丘里混合器上的天然氣壓力信號導(dǎo)通至電磁閥上的導(dǎo)壓管，二甲醚通路開啟。沒有天然氣壓力信號，則電磁閥關(guān)閉。此類比例混合裝置根據(jù)兩側(cè)壓力工作，可保持預(yù)先設(shè)定的混合比例。在總流量變化時，只要兩側(cè)進(jìn)口壓力不變，即可維持兩側(cè)流量的比例不變。而且，在電磁閥上設(shè)有一個可手動調(diào)節(jié)的開關(guān)，以控制二甲醚的摻混比例。

1．1．3 火焰筒

燃燒器是一個部件而非完整的產(chǎn)品，在鍋爐或其他設(shè)備上的選用主要取決于在背壓下的功率和排放，需要專門的實驗測試裝置。本次測試用火焰筒按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN676［10］制造，進(jìn)行了一定的簡化，省去了煙氣導(dǎo)管與可伸縮火焰內(nèi)后墻，無法通過調(diào)節(jié)爐膛的長短來改變背壓的大小，但可以通過煙道擋板改變背壓，足夠考察燃燒機在鍋爐等應(yīng)用場合下的性能變化情況［11］。

1．1．4 燃燒器

在選擇測試用燃燒器時，必須考慮其結(jié)構(gòu)的典型性并兼顧功率。實驗采用RIELLO 40GS5強制鼓風(fēng)燃燒器，額定熱功率為43kW，熱功率范圍為18～58kW，燃用天然氣時供應(yīng)壓力范圍為1～4 kPa。該燃燒器采用鼓風(fēng)式擴(kuò)散燃燒方式，單段火運行。由于功率小，沒有配置燃?xì)猓諝饴?lián)動裝置，需要操作人員對空氣和天然氣系統(tǒng)單獨進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)煙氣中的O2、CO調(diào)節(jié)天然氣壓力和空氣進(jìn)口面積。

1．1．5 氣相色譜儀

采用GC－920氣相色譜儀測試氣體組分及比例。儀器穩(wěn)定后，連續(xù)進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)氣檢查儀器重復(fù)性，每個組分響應(yīng)值相差≤1%。以最后一次的相應(yīng)組分作為隨后氣樣分析的標(biāo)準(zhǔn)，求出校正因子。從實驗管道中取得氣樣，立即進(jìn)樣分析。N2、CO2、CH4和C2H6由TCD檢出，其余烴類組分由FID檢出，所有組分均由外標(biāo)法定量，歸一計算出組分含量。

1．2實驗步驟

1．2．1 初始狀態(tài)點的調(diào)節(jié)

實驗選用的RIELLO 40GS5強制鼓風(fēng)燃燒器功率較小，廣泛應(yīng)用于小型工業(yè)加熱、鍋爐等場合，具有一定的代表性。在某個已經(jīng)調(diào)節(jié)好的狀態(tài)（即一定的背壓和空氣進(jìn)口面積、天然氣壓力）下，改變背壓對天然氣和空氣的影響是不同的。因此，需選擇一個固定的背壓和功率點，作為初始狀態(tài)點。在該狀態(tài)點下，燃燒器必須在額定背壓下達(dá)到額定功率且排放良好。RIELLO 40GS5強制鼓風(fēng)燃燒器的額定功率及額定背壓分別為43kW和70Pa。

初始狀態(tài)點的調(diào)節(jié)步驟如下：

（1）將火焰筒煙道上的擋板全開（即零背壓），啟動燃燒器；保持燃燒器前的天然氣壓力（2．1kPa）不變，逐漸關(guān)閉煙道上的擋板，將背壓提高到70 Pa，同時注意觀察爐膛內(nèi)的壓力；此時天然氣壓力會降低，保持火焰穩(wěn)定的同時，緩慢恢復(fù)天然氣壓力。在此過程中，背壓及天然氣壓力互相影響，需反復(fù)多次調(diào)節(jié)，方能使背壓及天然氣壓力均符合要求。

（2）觀察煙道上連接的煙氣分析儀，逐步增大燃燒器的空氣進(jìn)口面積，直到CO降低到允許值之下，并且O2盡可能小。

（3）固定煙道擋板開度和空氣進(jìn)口面積不變，關(guān)閉天然氣；重新啟動燃燒器，觀察在原來的供應(yīng)壓力（2．1kPa）下，燃燒器的功率是否恢復(fù)到設(shè)定值及煙氣排放是否正常。必要時，仔細(xì)調(diào)節(jié)空氣進(jìn)口，確認(rèn)該工況點可以重復(fù)。

（4）保證冷卻水量不變，此時冷卻水溫升為0～30℃。

燃燒器實際調(diào)節(jié)的過程中，爐膛背壓、燃?xì)饬髁浚ㄈ紵鳠嶝?fù)荷）、測試壓力、煙氣排放四者相互關(guān)聯(lián)影響，反復(fù)調(diào)節(jié)方能達(dá)到一個平衡點，使得CO含量、過剩氧、熱負(fù)荷、背壓均達(dá)標(biāo)。如此調(diào)節(jié)的目的在于最大程度地還原燃燒器在鍋爐等設(shè)備上的工作狀態(tài)。因為燃燒器未配備燃?xì)猓諝饴?lián)動調(diào)節(jié)機構(gòu)，有時需將其自火焰筒拆下、啟動后再安裝到位。最后，將背壓調(diào)節(jié)為70Pa，實際功率38kW，此時的煙氣中O2≤3．5%且CO表現(xiàn)良好。

1．2．2 測試步驟

（1）用天然氣啟動燃燒器，在額定壓力（2．1 kPa）、指定背壓（70Pa）下工作至燃燒穩(wěn)定狀態(tài)，測試其熱負(fù)荷、燃燒穩(wěn)定性、煙氣中CO、NOx、CO2及過?？諝夂?。

（2）等壓控制比例裝置保持一定開度，減小天然氣管線上閥門2的開度，打開二甲醚管路，緩慢增加閥門3的開度，使燃燒器進(jìn)口壓力恢復(fù)到額定壓力（2．1kPa）。記錄兩個膜式表的流量，以估算二甲醚與天然氣的比例；若非目標(biāo)比例，則調(diào)整等壓控制比例裝置的開度，重復(fù)上述過程直至所需比例。本實驗二甲醚的測試比例分別為0、10%、20%、30%、40%、100%。

（3）在每種摻混比例下，保持燃燒器進(jìn)口處的燃料總壓力（即閥門1后的壓力）處于額定壓力、背壓不變情況下，測試其熱負(fù)荷、燃燒穩(wěn)定性、煙氣中CO、NOx、CO2及過剩空氣含量、冷卻水進(jìn)出口水溫及水流量。

2 實驗結(jié)果及分析

2．1 二甲醚摻混比例的確定

實驗采用兩種方法確定混合氣中二甲醚的比例：一種通過流量計讀數(shù)確定二甲醚所占比例，另一種通過氣相色譜分析結(jié)果確定摻混比例，兩種方法互相校驗。前者方便快捷，但精度低，實驗時以此粗略估計二甲醚比例，并作為控制依據(jù)；后者較為復(fù)雜，但精度較高，由色譜分析結(jié)果中混合氣內(nèi)甲烷比例φCH4－mix及純天然氣中甲烷比例φCH4－NG，可算出混合氣中二甲醚所占比例φDME－mix，計算公式如下：

表1為兩種方法分別計算的二甲醚摻混比例。取色譜結(jié)果作為計算熱值及分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2．2 燃燒穩(wěn)定性及火焰穩(wěn)定性

燃燒器穩(wěn)定運行、煙氣溫度變化不超過±5℃時，測定煙氣中CO2含量，發(fā)現(xiàn)CO2含量變化滿足穩(wěn)定要求（≤±1．5%），說明燃燒穩(wěn)定，可進(jìn)行熱工測試。

通過觀火孔觀察火焰，發(fā)現(xiàn)火焰正常穩(wěn)定，沒有脫火、回火及黃焰現(xiàn)象，且燃燒器噴嘴壓力基本不變，沒有冒黑煙，說明火焰穩(wěn)定。

表1 測試中二甲醚摻混比例 （%）Table 1 Percentage of dimethyl ether blending in the test

2．3 燃燒器功率

燃燒器功率用經(jīng)過修正后的流量值與燃?xì)鉄嶂迪喑擞嬎愕贸??；旌蠚怏w的熱值利用色譜分析結(jié)果計算得出。圖2及圖3分別是進(jìn)入燃燒器的總流量及燃燒器功率隨二甲醚摻混比例的變化情況。

從圖中可以看出，隨著二甲醚摻混比例的增加，燃燒器功率基本不變。這是因為天然氣與二甲醚華白數(shù)相近，在供氣壓力不變時，隨著二甲醚摻混比例的增加，混合氣熱值升高，但進(jìn)入燃燒器的總流量減少，燃燒器功率不變。

2．4 燃燒器效率

在燃燒器的實際應(yīng)用（如鍋爐等）中，效率有其確定的測算方法。此處，以循環(huán)水帶走的熱量除以燃燒器內(nèi)輸入混合氣體的能量，定義為燃燒器效率。主要目的在于觀察燃燒器在一固定背壓下，改變?nèi)剂辖M分情況下的傳熱過程是否發(fā)生明顯變化。單位時間內(nèi)燃燒器內(nèi)輸入混合氣體的能量為燃燒器功率。燃燒器效率的計算公式如下：

式中：η為燃燒器效率，%；c為水的比熱容，J／（kg·K）；qm為冷卻水質(zhì)量流量，kg／s；Δt為冷卻水進(jìn)出口溫差，℃；Q為燃燒器功率，W。

測試結(jié)果見圖4。

必須指出：此處的效率僅為一種非常粗略的近似判斷，并不能非常準(zhǔn)確地反映二甲醚摻入后對火焰以及傳熱過程的影響。從圖4可看出，摻入二甲醚后，燃燒器的效率變化不超過3%，都維持在70%左右，說明改變?nèi)剂辖M分后傳熱過程并未發(fā)生明顯變化。

2．5 排放狀況

排放狀況由煙氣分析儀測定，并將測量值換算為過?？諝庀禂?shù)α＝1時的計算值，換算公式如下：

式中：CO為干煙氣中的CO濃度，α＝1，體積分?jǐn)?shù)；CO′為干煙氣樣中的CO濃度測定值，體積分?jǐn)?shù)；O2′為干煙氣樣中的氧濃度測定值，體積分?jǐn)?shù)；其中，21為空氣中氧氣所占百分比。

式中：NOx為 干煙氣中的NO濃度，α＝1，體積分?jǐn)?shù)；NOx′為干煙氣樣中的NO濃度測定值，體積分?jǐn)?shù)；O2′為干煙氣樣中的氧濃度測定值，體積分?jǐn)?shù)；其中，21為空氣中O2所占百分比。

保持背壓及風(fēng)門不變，隨著二甲醚摻混比例的增加，過?？諝庀禂?shù)α及污染物排放情況的變化分別見圖5及圖6。

根據(jù)歐標(biāo)EN676規(guī)定，工業(yè)燃燒器的燃燒排放物應(yīng)滿足CO≤100mg／kWh（93×10－6）［10］，NOx≤170mg／kWh（90×10－6）［10］。從圖5及圖6可以看出，隨著二甲醚摻混比例的增加，過?？諝庀禂?shù)略有上升，排放物中CO排放量逐漸減少，NOx排放量沒有固定趨勢，但均滿足環(huán)保要求。

3 結(jié) 論

本文給出了不同比例的二甲醚摻混天然氣時燃燒器的功率、效率及排放的變化，摻混比例分別為0、10%、20%、30%、40%、100%。由實驗結(jié)果可得出以下結(jié)論：

（1）二甲醚與天然氣的混合氣進(jìn)入工業(yè)燃燒器燃燒，隨著二甲醚比例的增加，燃燒器功率基本不變，與燃燒天然氣時功率基本相同，且排放良好，滿足環(huán)保要求，說明工業(yè)燃燒器對二甲醚摻混天然氣具有適應(yīng)性。

（2）二甲醚與天然氣的混合氣進(jìn)入工業(yè)燃燒器燃燒，隨著二甲醚比例的增加，火焰筒中冷卻水吸收的熱量基本相同，燃燒器效率基本不變，說明改變?nèi)細(xì)饨M分對傳熱過程并沒有明顯的影響。

（3）二甲醚與天然氣的混合氣進(jìn)入工業(yè)燃燒器燃燒，隨著二甲醚比例的增加，工業(yè)燃燒器的功率及效率基本不變，且污染排放少，說明二甲醚可以作為摻混氣源使用。然而，由于二甲醚單位熱值的價格高于天然氣，應(yīng)考慮在滿足氣量的情況下盡量減少二甲醚摻混比例。

此外，因為二甲醚對橡膠密封件有一定的腐蝕性，使用二甲醚摻混天然氣時需進(jìn)行針對性的管路改造，避免泄漏引發(fā)的事故。

［1］王恒，邊耀璋．DME－LPG混合燃料的試驗研究［J］．小型內(nèi)燃機與摩托車，2005，34（4）：29－32．

［2］張輝亞，張煜盛，莫春蘭，等．二甲醚燃燒研究的現(xiàn)狀及其發(fā)展方向［J］．車用發(fā)動機，2005（5）：10－13．

［3］李奇，李寶珍，楊同蓮．二甲醚在切割及焊接中的應(yīng)用［J］．小氮肥設(shè)計技術(shù)，2005，26（1）：41－43．

［4］賈明生，凌長明．二甲醚的物化特性和國內(nèi)應(yīng)用前景分析［J］．石油與天然氣化工，2003，32（6）：336－338．

［5］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫．GB 25035－2010城鎮(zhèn)燃?xì)庥枚酌眩跾］北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011．

［6］張波，傅維標(biāo)．二甲醚火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑囼炑芯浚跩］．燃燒科學(xué)與技術(shù)，2005，11（2）：163－166．

［7］錢伯章．二甲醚的技術(shù)進(jìn)展與市場分析［J］．石油與天然氣化工，2004，33（5）：324－332．

［8］羅東曉．二甲醚及其應(yīng)用技術(shù)分析［J］．天然氣工業(yè)，2008，28（1）：134－136．

［9］羅東曉，張秀琴．二甲醚用作城鎮(zhèn)燃?xì)獾募夹g(shù)及其經(jīng)濟(jì)性［J］．天然氣工業(yè)，2010，30（4）：130－132．

［10］BS EN676：2003．Automatic forced draught burners for gaseous fuels［S］．

［11］楊賢潮．工業(yè)燃?xì)馊紵鞯幕Q性試驗研究［D］．上海：同濟(jì)大學(xué)，

2012．