輕烴在城市燃氣領域的應用

摘 要

前言輕烴是石油煉制過程中餾程為80℃以下的副產(chǎn)品，產(chǎn)量豐富，價格遠低于液化石油氣；餾程為80℃以下的輕烴經(jīng)過氣化與空氣混合成符合國家燃燒特性標準的管道輸配混合燃氣。輕烴燃
前言
輕烴是石油煉制過程中餾程為80℃以下的副產(chǎn)品，產(chǎn)量豐富，價格遠低于液化石油氣；餾程為80℃以下的輕烴經(jīng)過氣化與空氣混合成符合國家燃燒特性標準的管道輸配混合燃氣。輕烴燃氣熱能利用效率高，無“三廢”排放，無毒無害，不會造成人員中毒現(xiàn)象，而且價格低廉，是一種能代替?zhèn)鹘y(tǒng)生活燃料的新型綠色能源。
　一直以來，輕烴作為煉油廠的油氣的副產(chǎn)品，往往沒有被合理、科學的利用起來，這些寶貴資源往往被當作“長明灼，白白燒掉。”事實上，輕烴的熱值是天然氣的四倍。目前輕烴燃氣的技術已經(jīng)開發(fā)出來，并產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟效益。因此大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，實現(xiàn)輕烴資源的綜合利用，提高資源綜合利用率，不僅有助于緩解我國能源緊張的嚴峻形勢，而且對落實節(jié)能減排工作方案，保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)“十一五”規(guī)劃目標具有重要的意義。
　作為城市燃氣的重要補充，輕烴已被建設部確定為我國第四代新型城市燃氣。目前，中國城市燃氣協(xié)會正在加緊編制輕烴混空燃氣(簡稱混空輕烴)的行業(yè)標準，使混空輕烴燃氣的生產(chǎn)、運儲和使用“有法可依”，進一步加強技術安全，促進混空輕烴燃氣的良性發(fā)展。
　在輕烴的設計、施工和使用過程中，其安全性、可靠性和穩(wěn)定性一直是普遍關注的問題，下面從幾方面對輕烴燃氣的安全性和穩(wěn)定性進行論述，以和有關同行進行共同探討，促進輕烴混空燃氣更好更快地向前發(fā)展。
　1、規(guī)范和標準
　在輕烴的目前應用過程中，碰到的最大問題是執(zhí)行的規(guī)范和標準問題。在設計、施工和應用領域，主要利用現(xiàn)有已發(fā)布的規(guī)范和標準，使工程在消防、安全、節(jié)能審批和驗收等方面取得可靠的依據(jù)。
　2、混合氣的安全性
　2.1 混合氣的露點
　在輕烴混空燃氣在應用過程中最主要的問題是露點問題，即輕烴與空氣的混合比例決定了其安全性和適用性。氣體輸送過程中最主要的條件是混合氣的露點要低于環(huán)境溫度5℃以上，下面是正戊烷、異戊烷和空氣混合氣的露點計算及圖表。
正戊烷和空氣混合氣的露點
壓力(×105Pa)
正戊烷和空氣混合比
10
20
30
40
50
60
80
100
1
-18.5
-4.5
4.2
9
14
20
28
362
1.1
-15
-2.5
6.8
11.5
17
24.5
26
30
1.2
-13.8
-1
8
132
18.5
26
28
29.5
1.4
-11.5
2
11.5
17
22
31.5
35
40
1.6
-9.8
4.7
12.4
20
27
31.5
40
44
2
-7
7.9
17
22
28
34.5
37.5
48
3
2
17.5
27
35
40
45
50
58
 
異戊烷和空氣混合氣的露點
壓力×105Pa)
異戊烷和空氣混合比
10
20
30
40
50
60
80
100
1
-24
-11.8
-2.8
4.3
8
13.5
22
27.85
1.1
-14.3
-8.8
1.8
7.5
13.5
19
26
34
1.2
-18
-4.5
5.5
11.5
17
22
32
37
1.4
-15.5
-3
8.1
14
20
26.5
35
40
1.6
-13.8
0
12
17
22
30
40
44
2
-12
2
7.5
13.5
19
26
34
48
3
-4
12
23
28
36
45
50
58
 
　輕烴是C4、C5及C6等的烷烴混合物。C6以上成分在相同的溫度下蒸汽壓與C4、C5相比低得名。輕烴與空氣混合后，混合物露點不僅與混氣比、混合物壓力有關，與輕烴各組分濃度關系較大，特別是C6以上成分影響最大。輕烴與空氣混合比可控制1:5或1:4。通過計算得出，當壓力為O.1MPa，C8以上濃度為2%，露點低于0℃；C6以上成分降低至1%，混合物露點可降低到-5℃；若提高壓力至O.15MPa，C6以上成分必須小于1%，混合物露點才能不低于0℃。在實際使用過程中，由于不同來源的輕烴的組分比較復雜，因此要注意控制輕烴的組分，尤其是C6以上成分，根據(jù)不同的組分和不同地區(qū)的環(huán)境溫度進行計算，使輕烴混空燃氣存車奮為安全的區(qū)域下輸送。
　2.2 爆炸極限
　輕烴混合氣安全性的另一個重要因素是爆炸極限。下表是一組輕烴與空氣混合氣的物性參數(shù)表，從表中可以看出，以戊烷烴為主的輕烴的爆炸極限上限較低。
混合后燃氣物性參數(shù)計算表(輕烴：AIR=1:4)(273.15K 101325Pa)
組分
分子量
體積%
密度(kg/m3)
相對密度
絕熱指數(shù)(K)
動力粘度×106(Pa.S)
運動粘度×106(Pa.S)
爆炸極限(V%)
著火溫度(℃)
高熱值(MJ/Nm3)
低熱值(MJ/Nm3)
臨界溫度(K)
臨界壓力(MPa)
沸點
正丁烷
58.124
2.O
2.703
2.09
1.144
0.697
2.53
8 5
1.5
365
133.9
123.66
425.18
3 747
-0.5
異戊烷
72.151
8.O
3.45
2.671
1.121
0648
1.85
8.3
1.4
420
169.39
156.75
469.65
3.325
27.82
正戊烷
72.151
8.O
3.45
2.671
1.121
0.648
1.85
83
1.4
260
162.28
155.78
469.65
3 2
36.06
己烷
78.114
2.O
3.84
2.97
1.12
0.712
1.82
8
1 2
560
161.89
155.41
125.97
3349
68.74
空氣
28.966
80
1.2931
1
1.304
17.17
13.4
 
 
 
 
 
132.5
3.645
-192
混合物
37.442
100
1.717
1.328
1.267
1.267
6.058
0.069
0.069
 
32.449
30.58
192.16
3.579
 
2.3 燃燒特性
以上述比例的輕烴混合氣計算的物性參數(shù)詳見下表
燃氣物性參數(shù)表(輕烴：AIR=1:4)
序號
參數(shù)名稱
數(shù)量
單位
1
平均分子量
37.442
 
2
密度
1.717
kg/Nm3
3
相對密度
1.328
 
4
絕熱指數(shù)(硒
1.267
 
5
動力粘度×106((Pa.S)
1.626
Pa.S
6
運動粘度×106(m2/s)
6.058
m2/s
7
爆炸極限(V%)(上限)
0.4t
%
 
(下限)
0069
%
8
高熱值(MJ/Nm3)
32.449
MJ/Nm3
9
低熱值(MJ/Nm3)
30.584
MJ/Nm3
10
臨界溫度(K)
192.16
K
11
臨界壓力(MPa)
3.5794
MPa
12
華白數(shù)
24.76
MJ/Nm3
13
燃燒勢
10.37
 
　從燃燒熱值來看，其熱值較高，華白數(shù)和燃燒勢近似于《城鎮(zhèn)燃氣分類》GB/T1361 1-2006中的6T的天然氣，因此在燃燒器具選擇天然氣的灶具就可以滿足輕烴混空燃氣的要求。
　3、氣化方式的選擇
　輕烴和液化石油氣相比，在相同的溫度條件下氣化潛熱較高，較難氣化，因此設計過程中要根據(jù)提供的輕烴組分，經(jīng)過計算確定合理的氣化溫度區(qū)間和氣化方式。
　氣化熱媒有電、熱水和蒸汽，由于輕烴氣化潛熱較大，因此選擇可靠的氣化介質(zhì)具有重要的意義，不僅可以減少運行成本，而且還可以保證生產(chǎn)操作的安全穩(wěn)定。
　在有充足的電力和蒸汽氣源的地方，選擇電和蒸汽是可行的，但多數(shù)的廠站不具備這一優(yōu)勢，因此只能選擇以熱媒加熱產(chǎn)生熱水或蒸汽的氣化方式。這種氣化方式要求配套有自動化程度較高的蒸汽或熱水鍋爐，還要有加熱的氣源。在設計輕烴混空站時通常是把混合后的氣體回輸至鍋爐作為燃料，但要考慮啟車時的備用燃料問題。
　4、調(diào)峰儲氣方式
　在設計液化氣混空站時通過氣化混氣設備的啟停數(shù)量來調(diào)節(jié)下游用氣負荷的變化，但在設計輕烴混空站的設計過程中，由于氣化工藝為連續(xù)強制氣化的特殊性不能通過設備的頻繁啟停來調(diào)節(jié)氣量的變化，只能通過儲氣方式來解決。
　儲氣方式有濕式氣柜、干式氣柜、緩沖儲罐儲氣幾種，下表(表格見下頁)我們根據(jù)技術、安全、技術、經(jīng)濟幾方面對幾種儲氣方式進行簡要的分析(儲氣規(guī)模按照2萬立方米考慮)。
三種儲氣方式技術經(jīng)濟對比分析表
技術經(jīng)濟特性
濕式氣柜
干式氣柜
緩沖儲罐儲氣
規(guī)格
D=39m，H=31.67m，V=23367m3
D=26.5m，H=43m，V=23187m3
球罐D(zhuǎn)=1Om，H=32m，P=O.15MPa
鋼材
390t
560t
474t
數(shù)量(臺)
1
1
6
總投資(萬元)
608
874
740
技術特性壓力
儲氣壓力3000Pa，并且波動
儲氣壓力6000Pa，壓力穩(wěn)定
儲氣壓力0 2MPa，壓力穩(wěn)定
煤氣濕度
罐內(nèi)煤氣濕度較大，出口煤氣含水份較高
煤氣較為干燥
煤氣較為干燥
占地
較大
較小
較大
防腐蝕
易腐蝕
不易腐蝕
不易腐蝕
壽命
20年
30年
20年
基礎要求
較高
較低
較高
抗震性能
較差
較好
較好
安全性
塔節(jié)薄弱處易漏氣需加強
密封系統(tǒng)較復雜，對密封油要求較高
操作壓力較高，安全性較差
單位儲氣建設成本(元/Nm3)
304
437
370
運行成本(萬元/年)
50
30
20
壽命期內(nèi)的總成本現(xiàn)值(萬元)
955.78
820.4
625 6
    注：上表的壽命期內(nèi)總成本計算是按利率6%，25年。
　通過以上比較，低壓濕式氣柜由于其煤氣中水含量較高，并且冬季易造成結(jié)露需要采取保溫措施，增加運行成本，干式氣柜由于其壽命期內(nèi)的總成本較高，對于用氣規(guī)模較小的城市不適用，從壽命期內(nèi)總成本的現(xiàn)值來看輕烴儲氣考慮緩沖儲罐為最佳方案。在設計時應根據(jù)當?shù)氐牡匦巍⒒A結(jié)構(gòu)經(jīng)過技術經(jīng)濟比較綜合確定儲氣方案，根據(jù)確定的露點控制儲氣壓力不超過臨界壓力，同時根據(jù)用氣規(guī)模合理的調(diào)整儲氣容積。
　5、輸配系統(tǒng)
　根據(jù)前面的露點計算，輸配系統(tǒng)的輸送壓力最好不要超過O.15MPa，因此在管網(wǎng)輸送時以中壓B級或低壓輸送為宜。管材的選擇應優(yōu)先考慮使用PE管材，閥門采用全通徑直埋式球閥為主，管道的埋深要在冰凍深度以下，同時根據(jù)坡度在低點要設置凝水缸。
　6、安全消防系統(tǒng)
　在輕烴混空站的設計過程中，通過采取以下安全消防措施來保證生產(chǎn)的安全性。
　根據(jù)和國家現(xiàn)行有關液化氣混空站的規(guī)范要求，進行混空站的總平面布置。
　設置消防水池和消火栓，并在站區(qū)布置環(huán)狀消防水管網(wǎng)，儲罐考慮噴淋冷卻水和消防水系統(tǒng)。
　在工藝設計過程中注重對氣化混氣參數(shù)的設備單體控制和連鎖控制，在保證安全的前提下，實現(xiàn)無人值守的自動控制。
　管道和設備均實現(xiàn)可靠的靜電接地，緩沖儲罐考慮防雷接地設計。
　生產(chǎn)廠房按《建筑設計防火規(guī)范》GB50018—2006的要求考慮足夠的泄壓防爆。
　輕烴燃氣正越來越受到政府部門的重視和倡導，作為缺少能源城市燃氣的重要補充，它的推廣和使用，勢必會帶來越來越多的新問題、新矛盾，只要我們共同努力，在設計施工過程中把供氣安全放在第一位，以現(xiàn)行的國家規(guī)范標準為準則，嚴謹求實、開拓創(chuàng)新，促進混空輕烴燃氣的良性發(fā)展。
 
(本文作者：王曉杰1 趙磊2 1.中國市政工程東北設計研究院；2.吉林省建筑工程學院)