周 宇

(六盤水師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院,貴州 553004)

1 燃?xì)饣Q性

燃?xì)饣Q性是指在一種燃?xì)鈶?yīng)用中，當(dāng)其運(yùn)行的安全、效率、性能或增加污染物的排放等方面無(wú)實(shí)質(zhì)性的變化時(shí)，一種燃?xì)馓娲硪环N燃?xì)獾哪芰?。目前，我?guó)用于預(yù)測(cè)燃?xì)饣Q性的方法主要以指數(shù)法為主，包括AGA指數(shù)法和Weaver指數(shù)法。其中AGA指數(shù)法包括離焰IL、回火IF和黃焰IY三個(gè)互換指數(shù)，由美國(guó)燃?xì)鈪f(xié)會(huì)(A.G.A)于1946年提出，并于80年代由美國(guó)燃?xì)庋芯吭?GRI)對(duì)其再次審定和修正；Weaver指數(shù)法包括熱負(fù)荷因數(shù)JH、空氣引射量JA、回火JF、離焰JL、CO排放JI和黃焰JY六個(gè)判定指數(shù)，于1951年Elmer R.Weaver結(jié)合AGA的研究方法和結(jié)果，在此基礎(chǔ)上通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究提出，各項(xiàng)指數(shù)的計(jì)算方法以及通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比歸納的互換范圍見表1。

表1 AGA指數(shù)與Weaver指數(shù)

其中，K為離焰極限常數(shù)；f為一次空氣因數(shù)；A為氣體燃料完全燃燒每釋放105kJ熱量所消耗的理論空氣量，m3；H為燃?xì)飧邿嶂担琸J/m3；Y為黃焰極限常數(shù)；W為沃泊指數(shù)，kJ/m3；V0為理論空氣量，m3/m3；d為相對(duì)密度；O2為燃?xì)庵醒鯕獾娜莘e成分，%；Sf為火焰速度指數(shù)；N為每100個(gè)燃?xì)夥肿又腥紵龝r(shí)容易析出的碳原子數(shù)；R為燃?xì)庵袣湓訑?shù)與碳?xì)浠衔镏刑荚訑?shù)的比值，下標(biāo)a和s分別代表基準(zhǔn)氣和置換氣，氣體體積計(jì)量狀態(tài)為：溫度15℃，壓強(qiáng)101.325kPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 低熱值煤層氣及天然氣成分

貴州省煤層氣資源總量為3.15萬(wàn)億m3，約占全國(guó)的10%，居全國(guó)第二，僅次于山西。貴州省煤層氣資源主要分布于六盤水煤田、織納煤田、黔北煤田，占全省煤層氣資源量的92.8%。本文選取六盤水盤州市某代表性煤礦作為對(duì)象，對(duì)礦區(qū)井下抽取煤層氣的成分進(jìn)行調(diào)研，結(jié)果見表2。煤層氣高、低熱值分別為11930kJ/m3、10832kJ/m3，屬于低熱值煤層氣。貴州地區(qū)民用天然氣主要以貴陽(yáng)輸氣站運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)地方，根據(jù)氣質(zhì)分析報(bào)告，天然氣成分組成見表3。

表2 貴州省盤州市某礦區(qū)煤層氣容積成分

表3 貴州地區(qū)天然氣容積成分

2.2 低熱值煤層氣摻混氫氣互換性

表4為低熱值煤層氣摻混氫氣混合氣體與天然氣互換性的AGA指數(shù)與Weaver指數(shù)判定結(jié)果?？梢钥闯?，無(wú)論是AGA指數(shù)還是Weaver指數(shù)，當(dāng)氫氣摻混比例從10%到95%，摻混后的混合氣體與天然氣互換時(shí)，均會(huì)出現(xiàn)回火現(xiàn)象，且隨著氫氣摻混比例的增加越發(fā)嚴(yán)重，這是因?yàn)闅錃獾幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣却笥诩淄榈幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?，說(shuō)明在判斷回火時(shí)，AGA指數(shù)與Weaver指數(shù)是一致的；同時(shí)，無(wú)論是AGA指數(shù)還是Weaver指數(shù)，當(dāng)氫氣摻混比例從10%到95%，與天然氣互換時(shí)均不會(huì)出現(xiàn)黃焰現(xiàn)象，但AGA指數(shù)表明隨著氫氣摻混比例的增加越不容易發(fā)生，而Weaver指數(shù)則變化不大甚至出現(xiàn)相反的趨勢(shì)，根據(jù)氫氣燃燒的性質(zhì)可知，在判斷黃焰時(shí)，AGA指數(shù)法更為準(zhǔn)確；當(dāng)氫氣摻混比例較小，與天然氣互換時(shí)還會(huì)同時(shí)存在離焰現(xiàn)象，這也是由于氫氣和甲烷火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊妮^大差異導(dǎo)致的，氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣却蠹s是甲烷的5倍，通過(guò)Weaver指數(shù)判斷，氫氣摻混比例達(dá)45%時(shí)離焰現(xiàn)象開始消失，而AGA指數(shù)判定則需要將氫氣摻混比例提高至80%離焰現(xiàn)象才勉強(qiáng)消失，在判斷離焰現(xiàn)象時(shí)，AGA指數(shù)明顯比Weaver指數(shù)苛刻。

表4 低熱值煤層氣摻混氫氣互換性判定結(jié)果

Weaver指數(shù)較AGA指數(shù)增加了有關(guān)熱負(fù)荷、空氣引射能力和不完全燃燒方面的判定指數(shù)。隨著氫氣的摻混比例的增大，熱負(fù)荷指數(shù)也隨之增大，主要是由于低熱值煤層氣中摻入可燃?xì)怏w氫氣的同時(shí)降低了不可燃成分氮?dú)獾暮?，但是由于甲烷的熱值大約是氫氣的熱值的3倍，摻混氣體與天然氣仍然不可互換；對(duì)天然氣來(lái)講，完全燃燒釋放相等熱量所需的理論空氣量基本不變，可認(rèn)為一次空氣系數(shù)與華白數(shù)成反比，因此，空氣引射指數(shù)與熱負(fù)荷指數(shù)差異很小，空氣引射指數(shù)也是隨著氫氣的摻混比例的增大而增大，但是均小于1，說(shuō)明置換后一次空氣系數(shù)增大，原因是氫氣燃燒所需的空氣量是甲烷燃燒所需空氣量的1/4，導(dǎo)致空氣過(guò)剩；從不完全燃燒指數(shù)結(jié)果可以看出，無(wú)論氫氣摻混比例為多少，混合氣體與天然氣互換時(shí)均不會(huì)出現(xiàn)不完全燃燒現(xiàn)象。

2.3 提濃低熱值煤層氣摻混氫氣互換性

低熱值煤層氣中甲烷含量較低，直接利用比較困難，利用之前進(jìn)行提濃(即提高甲烷濃度)可以有效提高低熱值煤層氣的利用率。低熱值煤層氣中含有大量的氮?dú)猓岣呒淄楹恳嗉磳?duì)甲烷和氮?dú)膺M(jìn)行分離，主要有吸附分離、膜分離、溶液吸收分離及深冷分離等方法。

如圖1所示，當(dāng)?shù)蜔嶂得簩託饧淄闈舛确謩e提高至40%、60%后摻混氫氣與天然氣互換性時(shí)各判定指數(shù)對(duì)比情況。

注：圖中橫坐標(biāo)均為氫氣摻混比例/%圖1 低熱值煤層氣不同甲烷含量時(shí)各互換性判定指數(shù)隨氫氣摻混比例變化情況

AGA指數(shù)中，相同氫氣摻混比例下，離焰指數(shù)隨著煤層氣中甲烷濃度的提高而降低，降低了離焰傾向，煤層氣未提濃、甲烷濃度提高至40%及60%時(shí)，為使離焰指數(shù)滿足互換性所需摻混的氫氣比例分別為85%、75%和65%；相同氫氣摻混比例下，回火指數(shù)隨著煤層氣中甲烷濃度的提高而減低，降低了回火傾向，如前所述，主要是由于氫氣火焰?zhèn)鞑ニ俣容^甲烷大約5倍，且在所討論范圍內(nèi)，均不滿足互換性要求；類似的，相同氫氣摻混比例下，黃焰指數(shù)也隨著煤層氣中甲烷濃度的提高而下降，增加了黃焰傾向，但在本文所討論的范圍內(nèi)，均滿足互換要求。

Weaver指數(shù)中，相同氫氣摻混比例下，除回火指數(shù)外，其余判定指數(shù)均隨著煤層氣中甲烷濃度的提高而增大。甲烷濃度的提高，置換氣熱值增大，熱負(fù)荷指數(shù)朝著滿足互換性方向發(fā)展，然而由于氫氣熱值低，在所討論的范圍內(nèi)，熱負(fù)荷均不滿足互換要求，引射指數(shù)由于氫氣和甲烷燃燒所需空氣量的巨大差異也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律；與AGA指數(shù)類似，煤層氣中甲烷濃度的提高降低了離焰傾向，煤層氣未提濃、甲烷濃度提高至40%及60%時(shí)，為使離焰指數(shù)滿足互換性所需摻混的氫氣比例分別為45%、30%和15%；相同氫氣摻混比例下，煤層氣中甲烷含量的提高增加了不完全燃燒和黃焰傾向，但在本文所討論范圍內(nèi)均滿足互換要求；相同氫氣摻混比例下，煤層氣中甲烷含量的提高對(duì)回火影響不大，因?yàn)榛鼗鹬饕怯蓺錃庖鸬摹?/p>

2.4 低熱值煤層氣摻混氫氣+二甲醚互換性

由于氫氣熱值較低，低熱值煤層氣中摻混氫氣與天然氣進(jìn)行互換時(shí)，熱負(fù)荷始終無(wú)法滿足互換要求。二甲醚的熱值高于甲烷，是甲烷的約1.7倍，摻混氫氣的同時(shí)摻混二甲醚可以提高混合氣體的熱值，圖2所示為氫氣摻混比例為20%，低熱值煤層氣不同甲烷含量時(shí)二甲醚摻混比例對(duì)混合氣體互換性的影響。

注：圖中橫坐標(biāo)均為二甲醚摻混比例/%圖2 低熱值煤層氣不同甲烷含量時(shí)各互換性判定指數(shù)隨二甲醚摻混比例變化情況

AGA指數(shù)中，當(dāng)煤層氣中甲烷濃度不變時(shí)，隨著二甲醚摻混比例的增大，離焰指數(shù)和黃焰指數(shù)下降，回火指數(shù)上升，降低了離焰傾向，增加了黃焰和回火傾向；當(dāng)煤層氣中甲烷濃度提高時(shí)，離焰指數(shù)、黃焰指數(shù)和回火指數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，降低了離焰和回火傾向，但會(huì)增加出現(xiàn)黃焰的可能性。

Weaver指數(shù)中，當(dāng)煤層氣中甲烷濃度不變時(shí)，除了回火指數(shù)，其余指數(shù)均隨著二甲醚摻混比例的增大而增大，與煤層氣中甲烷濃度對(duì)互換性的影響一致，促進(jìn)熱負(fù)荷指數(shù)和空氣引射指數(shù)趨向于滿足互換性要求，同時(shí)降低了離焰傾向，但是增加了回火傾向和不完全燃燒傾向，以及出現(xiàn)黃焰的可能性，但是在所討論的范圍內(nèi)，不完全燃燒和黃焰始終是滿足互換性要求的，但是回火現(xiàn)象并不能得到明顯改善。

綜上所述，當(dāng)氫氣摻混比例控制為20%，煤層氣未提濃、甲烷濃度提高至40%及60%時(shí)，為滿足互換性要求，二甲醚摻混比例宜控制在60%、50%和40%，但是需要采用一些防止回火的措施，如適當(dāng)減小火孔直徑，若進(jìn)一步提高氫氣摻混比例，二甲醚摻混比例還可降低。

3 結(jié)論

(1)AGA指數(shù)與Weaver指數(shù)在判斷回火時(shí)是一致的，在判斷黃焰時(shí)，AGA指數(shù)法更為準(zhǔn)確，而在判斷離焰現(xiàn)象時(shí)，AGA指數(shù)明顯比Weaver指數(shù)苛刻。

(2)提高低熱值煤層氣中氫氣摻混比例，可促進(jìn)熱負(fù)荷指數(shù)和空氣引射指數(shù)趨向于滿足互換性要求，降低了離焰和黃焰傾向，同時(shí)增加了回火傾向和不完全燃燒傾向，但由于氫氣熱值較低、燃燒所需理論空氣量較小，在與天然氣互換時(shí)，混合氣體熱負(fù)荷和空氣引射始終無(wú)法滿足互換性要求，而不完全燃燒現(xiàn)象在所討論的范圍內(nèi)均滿足互換要求。

(3)提高低熱值煤層氣中甲烷濃度或二甲醚摻混比例，可促進(jìn)熱負(fù)荷指數(shù)和空氣引射指數(shù)趨向于滿足互換性要求，同時(shí)降低了離焰傾向，但是增加了回火傾向和不完全燃燒傾向，以及出現(xiàn)黃焰的可能性，但是在所討論的范圍內(nèi)，不完全燃燒和黃焰始終是滿足互換性要求的，但是回火現(xiàn)象并不能得到明顯改善。

(4)當(dāng)氫氣摻混比例控制為20%，煤層氣未提濃、甲烷濃度提高至40%及60%時(shí)，為滿足互換性要求，二甲醚摻混比例宜控制在60%、50%和40%，但是需要采用一些防止回火的措施，如適當(dāng)減小火孔直徑，若進(jìn)一步提高氫氣摻混比例，二甲醚摻混比例還可降低。