天然氣摻氫對燃燒設(shè)備的影響分析
2025-04-18 10:19:06
kenengadmin
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天然氣管道摻氫將可再生能源制備的“綠氫”與天然氣混合,通過管網(wǎng)輸送到用戶終端。天然氣管道摻氫可實現(xiàn)高效、低成本輸送大量氫氣;與風(fēng)光發(fā)電制氫結(jié)合能實現(xiàn)大規(guī)?？稍偕茉聪{;摻氫燃?xì)馊紵蟮奶寂欧艔?qiáng)度降低。我國天然氣大量依賴進(jìn)口,天然氣摻氫是可減少對外依賴,是能源供應(yīng)安全的有力補(bǔ)充。
01
燃具適用性分析
與甲烷相比分，氫氣具有單位體積發(fā)熱量低、化學(xué)活性強(qiáng)、密度小、最小點(diǎn)火能量低、火焰溫度高、擴(kuò)散系數(shù)大等特點(diǎn)。摻混燃?xì)獾奈植粗笖?shù)、熱值、燃燒速度指數(shù)等均發(fā)生改變，具有與天然氣不同的燃燒特性，因此要研究現(xiàn)有燃具對摻氫燃?xì)獾倪m應(yīng)性。通常采用沃泊指數(shù)來衡量燃?xì)獾幕Q性，只要沃泊指數(shù)不變，就能在同一壓力下和同一燃具上獲得同一熱負(fù)荷。根據(jù)沃泊指數(shù)公式、氣體密度、熱值及組分占比，計算出沃泊指數(shù)和摻混后的熱值。圖1為沃泊指數(shù)偏離百分比、低位發(fā)熱量隨摻氫的變化。隨著摻氫比的增大，因氫氣熱值低，混合氣的熱值下降，意味著提供相同熱量時，需要消耗更多的燃料。
圖1沃泊指數(shù)及低位發(fā)熱量隨摻氫比的變化
隨著摻氫比的增大，沃泊指數(shù)上升，摻氫比小于20%,沃泊指數(shù)偏離在5.3%以內(nèi);摻氫比小于30%,沃泊指數(shù)偏離在10%以內(nèi)。一般認(rèn)為沃泊指數(shù)變化小于10%,對燃具熱負(fù)荷影響不大。目前進(jìn)行的摻氫示范項目摻氫比例一般在30%以內(nèi)。
眾多試驗表明,在低摻氫比時,大多數(shù)家用燃具燃燒穩(wěn)定,不影響器具原本的性能。
02
對煙風(fēng)系統(tǒng)的影響
相同體積氫氣燃燒需要的氧氣量是甲烷的 1/4,因此單位體積摻氫燃?xì)馊紵杩諝饬亢彤a(chǎn)生煙氣量會變小。本文關(guān)注單位供熱量下空氣量和煙氣量的變化,根據(jù)摻氫后的氣體組分和氣體燃燒方程，可得出燃燒需要的空氣量及生成煙氣量,分別計算“燃燒所需空氣量/燃?xì)鉄嶂怠薄吧蔁煔饬?燃?xì)鉄嶂怠钡贸鰡挝粺嶂迪露叩淖兓?。以零摻燒為基?zhǔn)計算燃燒所需空氣量、煙氣量的偏差隨摻氫比例的變化，見圖2。隨著摻氫比的增加，燃燒所需空氣量和生成煙氣量下降,摻氫30%時所需空氣量下降 1.9%,生成煙氣量下降1%,變化并不明顯。單位體積摻氫燃?xì)馑柩鯕饬亢蜕蔁煔饬孔兩?，同時熱值也降低,綜合二者因素,低摻氫比下所需空氣量和生成煙氣量變化不大,因此 50% 以下燃?xì)鈸綒浔壤龑矣萌季叩奈鼩?、排煙及鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)輸送能力基本無影響。
圖2 燃燒所需空氣量、煙氣量偏差隨摻氫比的變化
03
對鍋爐煙氣露點(diǎn)溫度及余熱利用的影響
天然氣摻氫后,燃料中的氫元素比例上升,煙氣水蒸氣體積分?jǐn)?shù)提高,分壓變大,露點(diǎn)溫度會上升。根據(jù)氣體組分和氣體燃燒方式,可以得到不同摻氫比下,煙氣中各組分的生成量,進(jìn)而得出H2O生成量及H2O 分壓力(與露點(diǎn)溫度對應(yīng))。用“單位體積燃?xì)?H2O產(chǎn)率/燃?xì)鉄嶂怠庇嬎銌挝粺崃肯翲2O的生成量。露點(diǎn)溫度與單位熱量下H2O的產(chǎn)率的變化趨勢見圖3。摻氫比30%,露點(diǎn)溫度上升1.8℃;摻氫比 50%,露點(diǎn)溫度上升3.5℃相對于摻氫程度,露點(diǎn)溫度的升高并不顯著對裝有節(jié)能器的鍋爐來說,露點(diǎn)溫度上升會帶來低溫腐蝕風(fēng)險。未來應(yīng)用摻氫燃?xì)鈺r，要核查換熱端差,預(yù)防低溫腐蝕,必要時更換換熱器材質(zhì)。
圖3 煙氣露點(diǎn)溫度、H2O隨摻氫比例的變化
從圖3中可看出H2O產(chǎn)率隨摻氫比的增加而上升,意味著煙氣中可回收的潛熱上升近年來隨著節(jié)能降碳要求的提高，大型燃?xì)忮仩t房逐漸采用深度余熱利用技術(shù)來吸收煙氣中水蒸氣的潛熱,即用熱泵產(chǎn)生 20-30 ℃的低溫中介水,中介水的溫度低于煙氣露點(diǎn)溫度,與煙氣換熱吸收水蒸汽潛熱,作為熱泵的低溫?zé)嵩?大幅提高鍋爐效率,但由于采用了熱泵技術(shù),投資一般相對較高。對此類余熱利用技術(shù),摻氫燃?xì)獾臒煔庥袃牲c(diǎn)增益:一是煙氣露點(diǎn)溫度上升,相應(yīng)的中介水的溫度可以提高，即提高了熱泵低溫側(cè)余熱水溫,利于降低熱泵造價和提高運(yùn)行效率。是燃燒發(fā)熱量相同時，煙氣中可提供的潛熱變大,更有利于采用此類技術(shù)提升鍋爐效率可計得摻氫比 30%與零摻氫相比,完全的潛熱回收對提升鍋爐效率的貢獻(xiàn)由11%增加到12%,摻氫的貢獻(xiàn)為 1%。1mol的CH4生成2mol的H2O,1 mol的H2生成1mol的H2O。摻氫后單位體積燃?xì)釮2O產(chǎn)量下降,相應(yīng)單位體積燃?xì)饪苫厥諠摕嶙兩?同時燃?xì)鉄嶂狄蚕陆?外供相同熱量時,需要燃燒更多燃?xì)?綜合二者因素,表現(xiàn)結(jié)果為可回收潛熱對鍋爐效率的貢獻(xiàn)略有上升。
04
結(jié)論
（1）天然氣摻氫比例在 30%內(nèi),對家用燃具性能及熱負(fù)荷影響不大。
（2）摻氫比例在50%內(nèi),相同熱負(fù)荷下的燃燒所需空氣量及生成煙氣量略有下降,對煙風(fēng)系統(tǒng)影響較小。
（3）燃?xì)鈸綒鋵?dǎo)致煙氣露點(diǎn)溫度上升,增加低溫腐蝕的風(fēng)險;在相同熱負(fù)荷下,煙氣可回收的潛熱量略有上升,利于深度余熱技術(shù)的應(yīng)用。
來源：低碳與供熱