燃?xì)赓|(zhì)量變化對終端用戶的影響——當(dāng)今液化天然氣質(zhì)量與瓦換性研究進(jìn)展論述之一

摘 要

一 前言近年來，世界燃?xì)夤I(yè)發(fā)展迅速，有兩個特點(diǎn)非常明顯。第一，國際貿(mào)易量不斷增加，除管道天然氣外，液化天然氣(LNG)也逐步形成了國際市場，其標(biāo)志是出現(xiàn)了現(xiàn)貨市場，預(yù)計貿(mào)易量在20
一 前言
近年來，世界燃?xì)夤I(yè)發(fā)展迅速，有兩個特點(diǎn)非常明顯。第一，國際貿(mào)易量不斷增加，除管道天然氣外，液化天然氣(LNG)也逐步形成了國際市場，其標(biāo)志是出現(xiàn)了現(xiàn)貨市場，預(yù)計貿(mào)易量在2020年將達(dá)世界天然氣消費(fèi)量的17%。第二，天然氣的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，除民用、商業(yè)外已擴(kuò)大到許多下業(yè)(包括電力)和交通運(yùn)輸業(yè)。
    當(dāng)前，世界各國天然氣工業(yè)的發(fā)展已做為應(yīng)對氣候變化、開啟低碳未來的重要措施之一。不同用戶對燃?xì)獾馁|(zhì)量，特別是燃?xì)赓|(zhì)量的變化有自己的要求。滿足不同用戶的質(zhì)量要求已成為發(fā)展中的障礙和重要的前提。燃?xì)赓|(zhì)量中的互換問題重又凸顯。當(dāng)今，研究燃?xì)赓|(zhì)量中的互換性問題，應(yīng)考慮到以下3個層次的內(nèi)容：
    (1) 終端用戶對燃?xì)赓|(zhì)量的要求。由于燃?xì)怄溣缮稀⒅?、下?個部分組成，各部分所涉及的技術(shù)內(nèi)涵也不同，但滿足各類終端用戶的要求應(yīng)是共同的目標(biāo)。當(dāng)前，即使直接為用戶服務(wù)的下游燃?xì)馄髽I(yè)也不能只滿足傳統(tǒng)的民用、商業(yè)和一般工業(yè)用途的氣質(zhì)要求，還必須了解和掌握諸如發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和眾多特殊工業(yè)對燃?xì)赓|(zhì)量的要求。一些發(fā)達(dá)國家遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在前面，如不跟上必然會造成工作中的失誤。
    (2) 由于氣源的變化日益增大，除常規(guī)管道天然氣外，還有進(jìn)口的液化天然氣、非常規(guī)的天然氣和各種生物質(zhì)氣等，其組分變化很大。能否利用同一供氣系統(tǒng)滿足各類用戶的要求就成為必須解決的問題，在可互換與不可互換之間做出正確的決策，以確保氣體燃料的使用能達(dá)到安全、高效和低排放的目的。
    (3) 如果燃?xì)赓|(zhì)量的變化不能滿足各類用戶使用的燃?xì)庠O(shè)施對燃?xì)赓|(zhì)量的要求，就必須有相應(yīng)的對策，在安全和經(jīng)濟(jì)合理的前提下可對不同方案進(jìn)行評估，做出燃?xì)赓|(zhì)量管理的正確決策。
    值得注意的是，自2005年美國發(fā)表《天然氣的互換性和非燃燒終端使用白皮書》以來，已引起歐洲一些發(fā)達(dá)國家的重視。有鑒于此，國際燃?xì)饴?lián)盟(IGU)2006—2009的研究計劃中提出了《液化天然氣的質(zhì)量與互換性》的課題。研究中歐洲一些國家的燃?xì)饨M織發(fā)表了很多論文，討論的焦點(diǎn)和分歧也十分明顯。國際燃?xì)饴?lián)盟委托英國BP集團(tuán)寫出了《燃?xì)饣Q性和燃?xì)赓|(zhì)量手冊》(Guidebook to Gas Interchangeability and Gas Quality)，以英國的研究為基礎(chǔ)，廣泛的反映了當(dāng)前存在的問題，也包括LNG的生產(chǎn)、供應(yīng)、壽命期和使用的技術(shù)進(jìn)展以及當(dāng)前各國天然氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的狀況等，值得深入研究，開拓視野。由于國際燃?xì)饴?lián)盟是一個非政府間組織，無權(quán)制訂、也不存在IGU的標(biāo)準(zhǔn)問題，因此宣稱：BP或IGU不能保證文件中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和承擔(dān)任何人據(jù)此使用的責(zé)任。本書的出版也標(biāo)志著該課題研究已告一段落，因而IGU在2009年—2012年的研究計劃中已不再列入。
    筆者根據(jù)個人的學(xué)習(xí)和認(rèn)識以及對我國情況的了解和分析，參考本書的內(nèi)容和近年來國際上發(fā)表的有關(guān)論文，按上述的3個層次，寫出了《當(dāng)今液化天然氣質(zhì)量與互換性研究進(jìn)展論述》之一、之二和之三，即：
    之一：燃?xì)赓|(zhì)量變化對終端用戶的影響；
    之二：液化天然氣互換性和質(zhì)量的研究進(jìn)展；
    之三：燃?xì)赓|(zhì)量管理方法與實踐。
    由于我國的燃?xì)夤I(yè)與發(fā)達(dá)國家的實踐相比已落后了半個多世紀(jì)，在廣度和深度上都有差距，只有認(rèn)真研究發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗，從中預(yù)知我國也可能發(fā)生的問題。更重要的是進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)試驗，堅持高標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)要求，掌握第一性資料，才能不斷取得進(jìn)步。
2 問題的時代背景
    本世紀(jì)以來，液化天然氣(LNG)的質(zhì)量與互換性已成為天然氣工業(yè)發(fā)展中“共同”的突出問題。原因是世界范圍內(nèi)天然氣的消費(fèi)不斷增加，而本國氣源的供應(yīng)量又不斷減少。為保證安全供氣，LNG迅速發(fā)展并已逐步形成了國際市場。貿(mào)易量1990年為56Mt，約占全球天然氣的4%；2004年為131Mt，約占7%；2020年預(yù)計將達(dá)500Mt，約相當(dāng)該時天然氣的17%[2]。此外，天然氣的用氣范圍除民用、商業(yè)外，早已擴(kuò)大到許多工業(yè)(包括電力)和交通運(yùn)輸，引進(jìn)LNG后，終端用戶對LNG的氣質(zhì)提出了不同的要求，原因是LNG的組分與原使用的天然氣發(fā)生了很大的變化。不同LNG出口國的LNG高熱值和沃泊指數(shù)可見表1。
    由表1可知，只有美國的LNG熱值最低，接近于純甲烷的值。
2.1 世界主要LNG市場對質(zhì)量的要求[3]
    (1) 日本、韓國通常用高沃泊指數(shù)的LNG(WI＞52MJ/m3)，特點(diǎn)是已建成了世界最大的LNG市場，LNG鏈已得到優(yōu)化。用摻混LPG的方法調(diào)整燃?xì)獾馁|(zhì)量，有法律依據(jù)，氣質(zhì)長期穩(wěn)定。當(dāng)前對LNG質(zhì)量的討論與日本關(guān)系不大。
    (2) 歐盟要求有較寬的質(zhì)量允許范圍，如兩班牙。特點(diǎn)是已建立了管道氣的市場，由于跨國聯(lián)網(wǎng)涉及的國家很多(常稱歐盟27國)，各國所要求的燃?xì)赓|(zhì)量不一，甚至采用的狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)都不同。歐盟正在推動各國接受一個更寬的質(zhì)量范圍，南歐洲氣體能量交換合理化協(xié)會(EASEE-gas)在推動這一工作，反映了歐洲大陸的許多特殊情況。
    (3) 美國和英國需要低沃泊指數(shù)的LNG(WI＜52MJ/m3)。發(fā)展起來的LNG市場需利用已有的天然氣管道供應(yīng)，LNG的質(zhì)量要考慮與現(xiàn)用天然氣的互換性，質(zhì)量的調(diào)節(jié)除了靠購氣合同限制外，也考慮用加氮方法調(diào)節(jié)燃?xì)獾馁|(zhì)量。
    (4) 新發(fā)展的LNG市場，如中國、印度等，當(dāng)前LNG的價格是發(fā)展的主要推動力，正在開始注意研究適應(yīng)不同質(zhì)量的方法。
2.2 用什么指標(biāo)或參數(shù)來確定LNG的質(zhì)量？
2.2.1主要內(nèi)容
    (1) 燃?xì)獾母邿嶂?，代表燃?xì)獾哪芎浚?/span>
    (2) 沃泊指數(shù)，是燃?xì)饣Q性的主要指數(shù)。
2.2.2 其它要求
    (1) 高烴含量(C2，C3，C4，C5+)；
    (2) 硫含量；
    (3) 氮含量(惰性氣體)；
    (4) 露點(diǎn)(水、烴)和雜質(zhì)等。
2.2.3 統(tǒng)一使用的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)
    IS0 13443：1996(15℃/1atm)
2.3 關(guān)于互換性的要求
   (1) 用沃泊指數(shù)表示燃燒器火焰的輸入能量(負(fù)荷人力)。
    (2) 在沃泊指數(shù)的范圍內(nèi)，主要互換參數(shù)還必須滿足：
    a. 控制N0x和其他氣體的排放量；
    b. 燃燒器的高效率；
    c. 燃燒設(shè)備的安全運(yùn)行。
2.4 市場對燃?xì)赓|(zhì)量的適應(yīng)性限制
    (1) 根據(jù)燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的要求和成本決定LPG的摻混量，如日本；
    (2) 各國均有大量的民用燃具在使用：a.老的燃具不允許燃?xì)獾馁|(zhì)量有太大的變化；b.質(zhì)量變化的成本和安全風(fēng)險必須考慮(如英國就有4600萬個燃燒器)；
    (3) 含有惰性氣體的管道氣也有互換問題(如泰國)；
    (4) 燃?xì)廨啓C(jī)的制造商要求相對穩(wěn)定的燃?xì)赓|(zhì)量。
    國際市場中LNG的不斷增長(熱值遠(yuǎn)高于管道天然氣)，燃?xì)鈶?yīng)用中新型燃具的不斷出現(xiàn)(高效、節(jié)能、減排)，以及歐盟27國為統(tǒng)一燃?xì)獾馁|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)的復(fù)雜性和不同意見，導(dǎo)致燃?xì)赓|(zhì)量中的互換問題重又為各國所關(guān)注。質(zhì)量中的互換性問題已涉及到供氣鏈的上、中和下游，由于問題太多，概念上和過去也有許多的變化，只能分層次的探討。本文討論的內(nèi)容反映了終端用戶對燃?xì)赓|(zhì)量的現(xiàn)實要求，也是所以產(chǎn)生燃?xì)饣Q性問題的根本源點(diǎn)，是必須制訂燃?xì)赓|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。
3 對終端用戶的影響
3.1 燃燒器的類型[1]
    在工業(yè)和商業(yè)用燃燒器的系統(tǒng)中，擴(kuò)散型火焰和預(yù)混空氣型火焰根據(jù)工藝的需要被廣為采用。使用這兩種方法的燃燒器又可分為5種類型：擴(kuò)散火焰或后吸氣式(補(bǔ)充吸氣式)燃燒器；大氣式燃燒器；空氣-鼓風(fēng)式燃燒器；噴嘴-混合式燃燒器；專用燃燒器，如脈沖式燃燒室或催化式燃燒器。
    燃?xì)赓|(zhì)量和組分的變化會直接影響到燃燒特性，對系統(tǒng)的運(yùn)行和產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。影響的大小決定于應(yīng)用方法、燃燒器及控制系統(tǒng)。影響的結(jié)果如下：
    (1) 不穩(wěn)定燃燒；
    (2) 高污染物的排放；
    (3) 效率降低；
    (4) 出現(xiàn)燃燒問題；
    (5) 出現(xiàn)熱-聲問題。
    不同類型的燃燒設(shè)備和相關(guān)的燃燒質(zhì)量問題匯總見表2。
    通常，工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)燃燒器均設(shè)有供給空氣的鼓風(fēng)設(shè)施，對一定范圍沃泊指數(shù)的變化并不敏感，當(dāng)沃泊指數(shù)降低，燃燒器需經(jīng)一段時間的調(diào)節(jié)，才能恢復(fù)原來的熱負(fù)荷。但是，為滿足排放安全的要求，民用燃燒器的沃泊指數(shù)調(diào)節(jié)范圍就很小，使用不符合規(guī)定的燃?xì)獬a(chǎn)生有毒氣體的排放。
    一個燃?xì)夤ぷ髡撸瑸榱舜_實掌握燃燒器的工作性能，必須在實踐中先做一些基本試驗，獲得深刻的感性認(rèn)知后才能更好地把握燃?xì)赓|(zhì)量的影響問題。試驗內(nèi)容包括：
    (1) 燃?xì)鈬娮烨皦毫ψ兓膲毫?span>-流量曲線，以便觀察壓力變化引起的燃燒器熱負(fù)荷的變化，也便于研究阻力最小的噴嘴結(jié)構(gòu)；
    (2) 燃燒器的效率-熱負(fù)荷曲線，加熱時間-熱負(fù)荷曲線，火焰的穩(wěn)定范圍圖，燃燒產(chǎn)物中C0含量(NOx含量)-熱負(fù)荷曲線等；
    (3) 掌握不同離焰等級與脫火的關(guān)系；掌握黃焰端和黃焰的差別；掌握燃燒器頭部的壓力、一次空氣吸入量和噴嘴前燃?xì)鈮毫Φ鹊年P(guān)系；引射器的自動調(diào)節(jié)性能等；
    (4) 其他試驗。如燃?xì)鉄嶂底兓瘜θ紵餍实挠绊懬€；燃?xì)鉄嶂底兓瘜θ紵a(chǎn)物中C0含量，N0x含量的影響曲線；被加熱器皿的大小、形狀和安裝位置等與熱負(fù)荷、效率的關(guān)系等；
    (5) 為了建立效率動態(tài)變化規(guī)律的概念，不論炊事或工業(yè)的工藝過程，可取有代表性的時間段內(nèi)做出熱負(fù)荷-效率曲線，從而求出該時間段的實際平均燃燒效率等。
表2 燃?xì)馊紵O(shè)備和相關(guān)的燃?xì)赓|(zhì)量問題
燃燒器類別
關(guān)系
控制參數(shù)
對燃?xì)赓|(zhì)量的敏感度
民用燃燒
·多數(shù)燃燒器不具備完善的壓力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)
·沃泊指
·高
商業(yè)和工業(yè)用燃燒器
·應(yīng)用范圍寬度
·效率
·排放量
·沃泊指數(shù)
·熱值
·低-中
燃?xì)廨啓C(jī)
·效率
·排放量
·輪機(jī)的壽命
·沃泊指數(shù)
·修正的沃泊指數(shù)
·燃?xì)庵笖?shù)
·燃料指數(shù)
·低-高
發(fā)動機(jī)
·爆燃
·效率
·排放
·穩(wěn)定的燃燒
·沃泊指數(shù)
·甲烷數(shù)
·辛烷值
·高
    (6) 不斷掌握最新檢測儀器的使用方法。建立試驗的環(huán)境條件對熱效率和排放量的影響概念，例如在25℃或15℃境條件下，熱效率的結(jié)果就完全不同。
    有了上述基本功后，對燃?xì)赓|(zhì)量變化對燃燒器帶來的影響才能有更深刻的理解，對研究國外的試驗報告和論述也會有更深入的認(rèn)識，帶來共同的語言。
    為使燃燒器適應(yīng)燃?xì)赓|(zhì)量的變化，在工業(yè)設(shè)備上也可安裝控制系統(tǒng)，例如安裝在燃?xì)廨啓C(jī)上的就比常規(guī)的燃燒器系統(tǒng)要復(fù)雜。而且雖有控制系統(tǒng)，排放情況仍有些變化。例如國外一些新型的干式低NOx排放(DLN)或干式低排放(DLE)燃燒室，對燃?xì)饨M分變化的允許范圍均很窄。
    火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)對燃?xì)饨M分變化十分敏感，其性能和排放量決定于良好的點(diǎn)火質(zhì)量，優(yōu)化的燃燒率，合適的抗爆性能和燃?xì)?span>-空氣混合物中能含量的控制。
    燃?xì)?span>(或燃料)-空氣混合物中的能含量用與化學(xué)計量比的關(guān)系來表示，如燃?xì)庖豢諝饣旌衔镏腥細(xì)馀c空氣的比值相當(dāng)于化學(xué)計量比，則定義當(dāng)量比Φ=1，Φ＜1表示混合物中的空氣量大于化學(xué)計量比，可稱為貧混合氣；Φ＞1表示空氣量小于化學(xué)計量比，可稱為富混合氣。中值與我國習(xí)慣使用的一次(過剩)空氣系數(shù)d的關(guān)系為倒數(shù)關(guān)系，即，一次空氣系數(shù)α＜1為富氣，過剩空氣系數(shù)α＞1為貧氣。
    上述擴(kuò)散火焰燃燒和貧預(yù)混燃燒的特點(diǎn)是：在擴(kuò)散火焰燃燒中，燃?xì)夂涂諝馐怯煞蛛x的通道導(dǎo)入。燃?xì)夂涂諝饬骰旌咸幍幕鹧媸欠€(wěn)定的，在接近Φ=1(或α=1)時，燃燒進(jìn)行得十分迅速，火焰溫度很高，在空氣中足以形成N0x。但貧預(yù)混式燃燒是燃?xì)馀c壓縮空氣預(yù)先混合，過?？諝饨档土嘶鹧鏈囟龋强梢员苊鉄酦0x的形成。但燃燒室應(yīng)在當(dāng)量比Φ很小的范圍內(nèi)操作，避免Φ＜0.5(α＞2)時的熄火和Φ＞0.6(α＜1.6)時NOx的形成。
3.2 燃燒器
3.2.1 燃?xì)饨M分的變化影響工業(yè)燃燒器的性能和運(yùn)行
    對簡單燃燒器的控制系統(tǒng)而言，空氣，燃?xì)獗仁且粋€常量的設(shè)定值，通常假設(shè)所用燃?xì)獾臒嶂岛臀植粗笖?shù)也是常量，但對典型的燃燒器，通常設(shè)定值與正常條件相比常給以 10%的過?？諝饬?。
    對過程控制中的工業(yè)燃燒器，熱值的控制多于沃泊指數(shù)，因為比較粗放的控制系統(tǒng)常以體積而不是以質(zhì)量或能量為基礎(chǔ)。
    調(diào)整好的燃燒器改用沃泊指數(shù)較高的燃?xì)夂髮a(chǎn)生以下后果：
    降低了效率。在已定的空氣/燃?xì)獗惹闆r下，使用沃泊指數(shù)較高的燃?xì)鈺蛉毖醵a(chǎn)生不完全燃燒，直接減少了能量輸出，使燃燒效率降低，C0排放量增加。
    相反，如改用低沃泊指數(shù)的燃?xì)?，由于過剩空氣量相應(yīng)的增加，污染物的排放等級將發(fā)生變化。煙氣中的含02量提高，也使燃燒的總效率下降。經(jīng)驗表明，“若煙氣中的02含量比優(yōu)化條件時增加1%，則必須增加1%～1.5%的燃料消費(fèi)量”。如果提高供氣壓力，增加燃?xì)獾南M(fèi)量，雖然煙氣中的含02量減少了，但過多的過?？諝鈱⑹够鹧娴娜紵俣缺日＿\(yùn)行條件時降低，氣流速度大于火焰速度的結(jié)果又易于發(fā)生脫火，降低效率。
    一些與點(diǎn)火、效率和安全設(shè)備運(yùn)行有關(guān)的可操作性問題，不會引發(fā)出提高沃泊指數(shù)的要求，但會使燃具的C0和N0x排放發(fā)生較大的變化。一些老式的燃燒器設(shè)計似對燃?xì)赓|(zhì)量的變化并不敏感，但沃泊指數(shù)的增加仍會使排放量增加。
3.2.2燃燒器的控制系統(tǒng)
    燃燒器的控制系統(tǒng)是為了保證燃燒器的運(yùn)行安全和適應(yīng)燃?xì)饨M分的某些變化。對火焰的檢測可能引發(fā)出因燃?xì)饨M分的變化造成火焰的外形也發(fā)生變化，使整個控制系統(tǒng)也發(fā)生失誤，雖然不會對工藝的安全性有很大的影響，但明顯會影響到工廠的運(yùn)行、生產(chǎn)率和成本。
從工藝性能看，必須考慮到以下因素：
(1) 溫度控制：工業(yè)過程要求在一定溫度下運(yùn)行，以保證產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求。
    (2) 熱值對負(fù)荷或消費(fèi)量的影響：為保持規(guī)定的工藝條件，需要控制熱值和燃燒的熱負(fù)荷，并與整個溫度控制相連接。
    (3) 燃燒效率：理論上，雖然高效率相應(yīng)于燃?xì)馀c化學(xué)計量的空氣量相混合燃燒，但在實際操作中，供給的空氣應(yīng)有一定的裕量，避免理想工藝的變化產(chǎn)生不完全燃燒和增加潛在的有毒C0的排放。
    控制系統(tǒng)可能非常復(fù)雜，含有信號的反饋和前饋，為整體運(yùn)行提供信息。
    控制也可分成若干個等級和方法。其復(fù)雜性決定于所需控制的程度。高級的包括對過程的熱量、溫度、蒸汽等要求，也可以是簡單的“開、關(guān)”式控制方法。低級的控制，可用一種實時計量的動作，保證整個控制工藝的“良好協(xié)調(diào)”。溫度的控制要求也可利用回應(yīng)曲線的形式記錄工藝過程的時間與溫度變化關(guān)系。
    個案研究之一：工業(yè)與商業(yè)的燃燒器系統(tǒng)
    美國燃?xì)夤に囇芯吭?GTI)最近調(diào)查了燃?xì)赓|(zhì)量變化對若干工業(yè)和商業(yè)燃燒器運(yùn)行狀況的影響，側(cè)重在沃泊指數(shù)增大對排放量變化的關(guān)系，結(jié)果如表3。
表3 沃泊指數(shù)增大對不同類型燃燒器的影響
燃燒器類型
熱負(fù)荷
(MJ/h)
沃泊數(shù)增加的影響
C0排放
NOx排放
輻射板式燃燒器
105.5
近似常量
近似常量
輻射管式燃燒器
未知
增加
減少
帶狀燃燒器
未知
常值或略減
增加
    個案研究之二：對民用燃具的影響
    英國的燃具試驗計劃(UK Appliances Test Programme)和美國燃?xì)夤に囇芯吭貉芯苛嗣裼萌季哔|(zhì)量變化與排放量的關(guān)系。沃泊指數(shù)的增大使一些燃具的高峰排放量也增大。
    沃泊指數(shù)的變化對C0排放量的關(guān)系可用以下公式表示：
    CO(×10-6)=(3×10-6)×exp(0.0128WN)
    式中：WN—沃泊指數(shù)(Btu/cf)
    沃泊指數(shù)從1335Btu/scf增大到1445Btu/scf(49.66-53.75MJ/m3)時，查試驗結(jié)果的圖表(在此略)可得C0從100×10-6約增加到330×10-6。
    如按上式計算可得C0為102.217×10-6增大到323.468×10-6。
3.2.3蒸汽鍋爐，電廠等大型燃燒裝置
    大型燃燒裝置也常設(shè)計成使用天然氣做為燃料，這類廠對沃泊指數(shù)發(fā)生的變化不敏感，因為機(jī)械排煙裝置的布局有足夠的裕量適應(yīng)增加的沃泊指數(shù)。國外曾經(jīng)有兩個大型熱電廠提出對燃?xì)庵泄康囊?，這屬于法律對排放規(guī)定的范圍，而不是運(yùn)行中發(fā)生的問題。對LNG而言，在上游液化廠，已完全解決了脫汞的問題。
3.3 燃?xì)廨啓C(jī)
    從國外干式低N0x(DLN)或干式低排放(DLE)預(yù)混式燃燒器排放的分布圖來看，都是按照規(guī)定的燃?xì)赓|(zhì)量范圍優(yōu)選過的，如供應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)的燃料在這一范圍之外，則排放量幾乎一定會增加。
    在這樣的系統(tǒng)中，燃燒室的排氣溫度可低至1750K。試驗表明，如溫度降至1600K，就會出現(xiàn)熄火的問題。
    沃泊指數(shù)的突然降低會使燃燒室內(nèi)的溫度也隨之降低；提高燃?xì)廨啓C(jī)中燃料供應(yīng)的沃泊指數(shù)，溫度也隨之升高，在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生熱一聲問題。在某些燃?xì)廨啓C(jī)中設(shè)有所供燃?xì)獾臒嶂岛臀植粗笖?shù)的測量裝置，由綜合控制系統(tǒng)根據(jù)所得的測定值控制輪機(jī)。
    燃?xì)饨M分對燃?xì)廨啓C(jī)的影響有以下幾個方面：
    (1) 由燃?xì)?空氣比的變化使火焰失效；
    (2) N0x的排放量與沃泊指數(shù)的變化是函數(shù)關(guān)系；
    (3) N0x的形成與高烴含量等級增高的關(guān)系；
    (4) 催化燃燒的效率與惰性氣體種類和高烴含量變化的關(guān)系；
    (5) 回火與自燃是燃?xì)饨M分變化產(chǎn)生的后果；
    (6) 對燃燒動力學(xué)、振動和噪聲的影響。
    現(xiàn)分述如下：
3.3.1火焰的失效
    火焰的失效即燃燒的不穩(wěn)定性，常用燃燒的穩(wěn)定曲線表示，縱坐標(biāo)為燃?xì)饬鲃铀俣?，橫坐標(biāo)為燃料/02的比值(或一次空氣系數(shù))。如出現(xiàn)火焰同縮，回火、離焰和脫火或猝熄等現(xiàn)象就是火焰的失效。對燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)饨M分發(fā)?？焖俚淖兓瘯?dǎo)致火焰的失效，或引起燃燒動力特性的變化和噪音的產(chǎn)生，進(jìn)一步發(fā)展會造成振動引起損傷。
3.3.2在燃料的靈活性、燃燒室的類型和排放量之間有一定的相關(guān)性，可參見圖1。
    在一些可再次調(diào)整的干式低N0x燃燒室中，可改進(jìn)排放的性能，雖然燃燒的動力學(xué)問題可能增多。圖2表示N0x的排放量變化與沃泊指數(shù)的函數(shù)關(guān)系。
 

3.3.3高烴含量對燃?xì)廨啓C(jī)的排放效應(yīng)
   個案研究之三。
   美國國家能源技術(shù)實驗室側(cè)重在一個模擬的燃?xì)廨啓C(jī)上做了基礎(chǔ)研究。研究天然氣中高烴含量對N0x排放的影響。得出的結(jié)論可見圖3和圖4。圖3表示火焰溫度對N0x排放量的影響，圖4表示當(dāng)量比擊對火焰溫度的影響。由圖3可知，對天然氣而言，當(dāng)火焰絕熱溫度為1550K時，N0x的排放量約為：9.3×10-6～10×10-6；火焰溫度為1662K時，N0x的排放量約為14.0×10-6～14.5×10-6。如對天然氣和丙烷的混合物而言，火焰溫度為1565K時，NOx值為10.0×10-6；火焰溫度為1678K時，NOx值為15.0×10-6～15.3×10-6。火焰的溫度則可按圖4查出。如對天然氣而言：Φ=0.422時，火焰溫度約為1550K；Φ=0.480時，火焰溫度約為1660K；對天然氣與丙烷的混合物而言：Φ=0.425，溫度為1565K，Φ=0.483，溫度為1675K。以上說明，相同的Φ值，混丙烷的天然氣火焰溫度比不混丙烷天然氣的火焰溫度要高，因而N0x的排放量也高。不同燃?xì)鈪?shù)之間的相關(guān)關(guān)系可見圖5。
 

    上述研究結(jié)果所示的N0x與沃泊指數(shù)WI之間的關(guān)系與已公布的其他研究結(jié)果不同，數(shù)據(jù)也與其他研究不成比例。顯然，進(jìn)行更多的研究是必要的。值得指出的是：上述的試驗結(jié)果來自一個模擬的燃?xì)廨啓C(jī)，不完全等同于實際的燃?xì)廨啓C(jī)，這可能是試驗結(jié)果有所不同的原因。
    稀釋LNG對達(dá)到等值的發(fā)電量有很大的影響。實際上，若稀釋量達(dá)到4%～5%，則燃燒室中火焰的溫度可降低，從而可得到相同的發(fā)電量(質(zhì)量流量的關(guān)系)。這與其他的試驗觀察結(jié)果相一致。對微型燃?xì)廨啓C(jī)而言，摻入惰性氣體可降低N0x的排放量。英國的觀察結(jié)果表明：位于LNG進(jìn)口終端附近的電廠，若使用再氣化的LNG，N0x的排放量會增加。
3.3.4燃?xì)廨啓C(jī)的催化燃燒
    在天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)上使用催化燃燒法是一種正在開發(fā)的超低N0x排放技術(shù)。工藝過程中使用的一種催化劑可使燃燒不會形成很多的N0x和C0。
    在美國，已在小規(guī)模的催化燃燒模型中研究燃?xì)饨M分變化的影響。用含有高烴的天然氣和惰性氣體來模擬燃?xì)赓|(zhì)量變化的范圍。試驗在一個燃?xì)廨啓C(jī)的典型運(yùn)行條件下進(jìn)行。壓力比為10～20，可覆蓋工業(yè)和公用事業(yè)中燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的條件。實驗數(shù)據(jù)表明：
    (1) 惰性氣體的增加實際上對燃燒特性無影響。
    (2) 高烴含量的增加會導(dǎo)致降低對催化劑入口溫度的要求(常稱催化劑的入口為“運(yùn)行窗口”)。
    根據(jù)試驗結(jié)果，可導(dǎo)出一個催化劑入口溫度與高烴含量和碳原子數(shù)的關(guān)系式。用這一關(guān)系式可計算每一試驗燃?xì)馑蟮拇翱跍囟?。在美國，對多?shù)燃?xì)馑愠龅拇呋瘎┐翱跍囟染陀?0%，這一溫度在催化燃燒室的允許范圍之內(nèi)。在催化燃燒系統(tǒng)中，燃?xì)鉁囟雀哂诖酥禃r也可應(yīng)用，但催化劑的入口溫度應(yīng)降低，以保持燃燒室的耐久性。
    研究結(jié)果認(rèn)為：催化燃燒系統(tǒng)有能力適應(yīng)組分范圍較寬的天然氣。對多數(shù)燃?xì)舛?，其多樣性不會影響到燃燒室的耐久性?/span>
 

3.3.5 N0x的形成(燃?xì)廨啓C(jī)排氣中的“縷”狀煙氣)
    無后燃燒排放控制的燃?xì)廨啓C(jī)和烴含量等級較高的燃料燃燒時，會形成一縷縷褐色的煙氣從煙道中排出，伴隨著N02濃度的增高。
    這一現(xiàn)象常發(fā)生于升溫階段，只有部分負(fù)荷在運(yùn)轉(zhuǎn)，且與基本負(fù)荷相比燃燒效率降低時。但也有例外，即在基本負(fù)荷時也出現(xiàn)過縷狀的褐色煙氣。
    為能觀察到縷煙，N02的含量等級應(yīng)大于50×10-6(即，N02的濃度乘以縷煙的直徑-假設(shè)等于煙道的直徑)。N0轉(zhuǎn)換成N02的機(jī)理也包括由高烴形成的過氧基；在某些條件下，轉(zhuǎn)換率可超50%。應(yīng)指出的是，N0轉(zhuǎn)換成N02的過程中，總N0x的排放量不變。這說明，由于高烴的存在，N0轉(zhuǎn)換成NO2就成為一種N0x的減排方法，類似于可選擇的催化減排(SCR)。SCR系統(tǒng)是一種用氨和活性催化劑將N0x轉(zhuǎn)換成N2的方法。但改變N0和N02的含量會增加氨的使用量，造成煙氣中有氨的排出(常稱為“氨的損失”)。
3.3.6燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的不穩(wěn)定性(回火與白燃)
    在干式低排放和干式低N0x燃燒室中采用預(yù)混式燃燒器時，對回火與自燃特別敏感。兩者均由燃?xì)饨M分變化所引起，并受高烴含量和當(dāng)量比Φ的變化影響。
    (1) 回火
    當(dāng)火焰速度增加，且通過燃燒室內(nèi)流量不能平衡所發(fā)生的變化時(即流動速度小于火焰速度時)，火焰會向引射器回傳，導(dǎo)致燃?xì)鈬娮旌鸵肟諝獾姆峙湎到y(tǒng)損傷。即使微小的損傷對系統(tǒng)也會造成影響，使全部燃燒系統(tǒng)遭到破壞(如不及時發(fā)現(xiàn)，會釀成大錯)。
    回火還將產(chǎn)生燃燒的震動和破壞燃?xì)廨啓C(jī)的空氣渦流組件。
    (2) 自燃
    如燃?xì)獗灰腩A(yù)熱的空氣流，雖無點(diǎn)火源，當(dāng)溫度高達(dá)一定程度時也會形成燃燒過程。高烴類燃?xì)獾淖匀紲囟缺燃淄榈?，甚易造成熱失控。即使兩種燃?xì)獾奈植粗笖?shù)相同，但高烴含量高的燃?xì)鈺@示不同程度的自燃特性，而惰性物質(zhì)的存在卻無太大的影響。
    自燃需要一定的燃燒反應(yīng)時間，用來提高熱失控和增加全部燃燒的比率，即通常所稱的著火延遲時間。如與高溫接觸的時間短于延遲時間，自燃就可防止。這一概念可使燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計工程師們確定預(yù)混系統(tǒng)的時間范圍(停留時間)。
    至今難以預(yù)測燃?xì)饨M分對自燃問題的影響，因為在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行條件下積累的有效數(shù)據(jù)還很少。燃?xì)廨啓C(jī)有可能得到典型混合燃?xì)獾淖匀佳舆t時間只有幾十個(千分之一秒)，而在燃燒室中停留的時間在多數(shù)情況下只有幾個(千分之一秒)可使用。雖有一定可利用的安全范圍，但燃?xì)饨M分變化是否能延遲自燃還難以確定。
3.3.7動力學(xué)、振動和噪聲特性
    燃?xì)饨M分的變化可造成燃燒的振動，并轉(zhuǎn)化為噪音和壓力脈沖兼?zhèn)涞臋C(jī)械振動，危及燃?xì)廨啓C(jī)整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，增大疲勞應(yīng)力和機(jī)械零件的潛在失效率，提高修理和重新安裝的成本。
    動力學(xué)和燃燒振動也可對燃燒過程提供一個反饋機(jī)制。小振會導(dǎo)致大振，增大對燃燒室的影響。燃燒室內(nèi)的共振會提高過度噪聲的等級。
    至于微型輪機(jī)，是一種小型的燃?xì)廨啓C(jī)，發(fā)電功率在25kW～500kW之間，適用于小型工地的發(fā)電和熱、電聯(lián)產(chǎn)。對已知的燃?xì)饨M分，用設(shè)定的參數(shù)可優(yōu)化燃料的控制系統(tǒng)。設(shè)定參數(shù)決定于發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)軟件中燃料的物理性質(zhì)。根據(jù)天然氣的原始資料，多數(shù)微型輪機(jī)允許“燃料指標(biāo)”有10%～15%的編差。設(shè)定參數(shù)可根據(jù)燃?xì)獾南鄬γ芏群透邿嶂邓愠觥?/span>
    燃?xì)赓|(zhì)量變化的效應(yīng)可歸結(jié)如下：
    (1) 排放量：通常指N0x、C0和總烴的排放量與相對于甲烷的重?zé)N增加比例值有關(guān)。
    (2) 冷凝物(液)：冷凝液滴的存在會嚴(yán)重?fù)p傷發(fā)動機(jī)。以頂級的微型燃?xì)廨啓C(jī)為例，要求燃?xì)庀到y(tǒng)的各點(diǎn)上燃?xì)獾臏囟缺仨毟哂谄渎饵c(diǎn)溫度10℃。
    燃?xì)廨啓C(jī)的制造商不主張公開發(fā)布燃?xì)赓|(zhì)量與燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行中的問題。燃?xì)廨啓C(jī)合同燃料的規(guī)定是通過協(xié)商，性能保證是根據(jù)所提供的燃?xì)赓|(zhì)量來實現(xiàn)。通用電力公司(GE)引用的修正沃泊指數(shù)(MWI)為5%，并宣稱如超過5%則必須重新分析和批準(zhǔn)所有的條件。
    在輪機(jī)的燃料規(guī)定中，烴露點(diǎn)是一個非常重要的參數(shù)。增大沃泊指數(shù)通常也提高了形成液烴微滴的露點(diǎn)。英國典型管道燃?xì)獾穆饵c(diǎn)為-21℃和3MPa。如適當(dāng)提高烴含量的等級，露點(diǎn)值就會增高到16℃。對燃?xì)廨啓C(jī)燃料的引入系統(tǒng)，必須保持氣相條件，任何液體燃料的液滴一旦進(jìn)入系統(tǒng)就會影響到硬件和熱負(fù)荷。為此，許多燃?xì)廨啓C(jī)均有燃料供應(yīng)的加熱器，防止發(fā)生露點(diǎn)問題，且使用修正的沃泊指數(shù)比沃泊指數(shù)更好。
    通用電力公司聲明：其輪機(jī)所用的氣體燃料組分發(fā)生變化，必須安裝某些監(jiān)控儀表，如氣相色譜儀等。燃?xì)庵械暮哿课镔|(zhì)會嚴(yán)重影響輪機(jī)的性能，如痕量金屬會損壞輪機(jī)的葉輪。
    修正的沃泊指數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：
   
式中：LHV—燃?xì)獾牡蜔嶂礛J/m3；
      SGg—燃?xì)獾南鄬γ芏龋?/span>
      Tg—燃?xì)獾慕^對溫度K；
      MWg—燃?xì)獾姆肿又亓浚?/span>
      28.96—干空氣的分子重量。
3.4 發(fā)動機(jī)
    燃?xì)赓|(zhì)量和互換性對燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的影響包括燃?xì)獾慕M分及其附加的燃燒特性。最新一代發(fā)動機(jī)增加了自適應(yīng)的發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)后，允許烴組分有較大的變化。一些老一代的發(fā)動機(jī)若使用低抗爆性的燃?xì)?，不論使用時間的長短，均會發(fā)生嚴(yán)重的破壞作用。
    燃?xì)赓|(zhì)量對系統(tǒng)的整體性、發(fā)動機(jī)的性能和排放量的影響可用不同的標(biāo)準(zhǔn)來說明。
3.4.1系統(tǒng)的整體性
IS0 15403(天然氣作為汽車壓縮燃料使用的質(zhì)量規(guī)定)中，對天然氣作為公路運(yùn)輸燃料使用時的某些性質(zhì)設(shè)定了限值，涉及燃?xì)饨M分的內(nèi)容如表4。
表4 對汽車發(fā)動機(jī)使用的燃?xì)庖?guī)定
水含量
＜0.03g/m3
在可能發(fā)生的壓力和溫度條件下
硫化物
＜120mg/m3
有水存在時要防止腐蝕和排出催化劑的中毒
CO2
＜3%
—
游離O2
＜3%
—
乙二醇/甲醇
未加入
—
油性成分
70×10-6～200×10-6
—
3.4.2發(fā)動機(jī)的性能
    火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)的性能和排放量決定于良好的點(diǎn)火、優(yōu)化的燃燒能力、合適的抗爆性和控制燃料-空氣混合物中的能含量。
    燃料的性質(zhì)關(guān)系到發(fā)動機(jī)的性能，包括空氣-燃料比、燃?xì)獾慕M分(沃泊指數(shù)與甲烷數(shù))和抗爆性。分述如下：
    (1) 空氣-燃料比(對氣體燃料即一次空氣量與燃?xì)馊紵瘜W(xué)計量空氣量之比)
    ——是反映混合物能含量的主要因素，空/燃比的變化對功率大小的影響大于燃?xì)饨M分的變化。
    ——發(fā)動機(jī)效率的最高值相當(dāng)于空/燃比的范圍為1.05～1.10(即一次空氣系數(shù)α=1.05-1.10)，這也是N0x產(chǎn)出量最高的范圍。發(fā)動機(jī)應(yīng)在稍高的富氣條件下(α=0.9)運(yùn)作，以便得到最大的啟動力矩。
    ——在火花點(diǎn)火的發(fā)動機(jī)中，點(diǎn)著能力與空/燃比有很大的關(guān)系。在α=0.9～1.5的范圍內(nèi)，天然氣的點(diǎn)火不會發(fā)生問題。
    ——空/燃比的變化也影響到燃燒速度。如空/燃比大于化學(xué)計量值(即α=＞1)，就會延長整體的燃燒過程。這說明，如發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火時間是按化學(xué)計量比設(shè)定的，則對α＞1的這種貧混合氣的點(diǎn)火時間應(yīng)提前。
    ——如增加N2或C02這類惰性氣體的含量，燃燒能力便降低，并再次需要提前點(diǎn)火。用渦輪增壓的方法可補(bǔ)償這一效應(yīng)。
    (2) 燃?xì)獾慕M分和沃泊指數(shù)
——燃?xì)饨M分對發(fā)動機(jī)工況的影響宜用沃泊指數(shù)和甲烷數(shù)兩個特性數(shù)值表示。
——如沃泊指數(shù)為常數(shù)，則燃?xì)饨M分變化對空/燃比和燃燒能力不會引起顯著的變化，但會改變可燃混合物的體積能含量和抗爆性。
——燃?xì)獾奈植磾?shù)會影響到發(fā)動機(jī)的出力，使汽車的功率降低；例如，在燃?xì)庵蠳2含量增加時。
燃?xì)饨M分對天然氣汽車性能的影響與天然氣汽車工業(yè)有關(guān)。最初由汽油車改裝的天然氣車均設(shè)有復(fù)雜的“關(guān)閉回路”控制系統(tǒng)。它能調(diào)節(jié)反映燃?xì)饨M分變化的空/燃比。
    對大型車，如拖車和大巴，則要轉(zhuǎn)換高壓縮性的柴油發(fā)動機(jī)，對燃?xì)饨M分的變化就要求更高。這類車通常均在高效下運(yùn)行，接近于燃料的“爆炸極限”。燃?xì)饨M分的變化(如增加烴含量)會引起潛在的“爆震聲”，說明發(fā)動機(jī)汽缸內(nèi)的點(diǎn)火不正確，長期如此就會損壞發(fā)動機(jī)。
    (3) 抗爆性
    ——高的熱效需要燃料有高的壓縮比，因而要求燃料有較高的抗爆性。天然氣比汽油有較高的抗爆性。發(fā)動機(jī)設(shè)計成有高的壓縮比，并與天然氣的高抗爆性相匹配，可明顯的提高效率。
    ——高烴的存在將降低燃料的抗爆率，如發(fā)動機(jī)沒有保護(hù)就會遭到嚴(yán)重的損傷。
3.4.3排放量
    以天然氣為燃料的汽車排氣中，含有N0x、C02和未燃烴。主要排放量為C02，也可認(rèn)為是一種污染物，但從單位輸入能源的排放量作比較，則天然氣低于汽油、柴油或LPG。
    ——N0x的形成量決定于燃燒過程的最高溫度和可用的02量。即，燃?xì)獾慕M分變化后，N0x的形成受最高溫度和空/燃比變化的影響。
    ——C0的大量形成是因燃燒過程中空氣供給量不足所致(空/燃比小于1.0)；火焰與冷表面接觸而熄滅時也有CO形成。
    ——燃料不完全燃燒所產(chǎn)生的未燃烴是因貧混合氣體中空氣量的增加導(dǎo)致溫度和火焰速度降低所致。燃料中不同的高烴濃度會影響燃?xì)饨M分的分類和排出廢催化劑的活性，導(dǎo)致有較高的總烴排出量。
    ——在一些國家中，法律對非甲烷烴類的排放量非常重視，因為燃料中的較高烴類會直接影響到排氣中非甲烷烴類的排放量。
    總之，燃?xì)饨M分的變化會影響到污染物的排放等級。首要的影響來自沃泊指數(shù)的變化。具有合理的綜合發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)(硬件和軟件)時，可以適應(yīng)沃泊指數(shù)的適量變化，對排放量也只有少量的影響。但這種情況只有在發(fā)動機(jī)的運(yùn)行接近于化學(xué)計量比，排氣道中放置可排除3種污染物的催化劑，且排氣道中還設(shè)有02敏感元件的角環(huán)反饋控制裝置時才能實現(xiàn)。
    催化式排氣凈化器或催化劑常置于汽車發(fā)動機(jī)和排氣道之間，它是一個蜂窩結(jié)構(gòu)的陶瓷體，上面覆有催化劑。催化劑通常為鉑、銠和鈀。蜂窩結(jié)構(gòu)的設(shè)計是利用其具有單位體積的最大表面積原理。
    汽油發(fā)動機(jī)(火花點(diǎn)火式)裝有所謂的三元減排催化劑，用它能減排3種污染物，即CO、未燃烴和N0x。三元減排催化劑包括兩個完全不同的部分：一種N0x減排催化劑，可由N0轉(zhuǎn)化成N2和02(基本反應(yīng)是2N0→N2+02)；一種氧化催化劑能氧化有害的CO和未燃烴，使之成為C02和水。
    N0x減排催化劑可保證汽油發(fā)動機(jī)能按化學(xué)計量比運(yùn)行。用一個O2敏感元件放置在催化劑的下游方(離開發(fā)動機(jī))，敏感元件向電控組件提供信號，調(diào)節(jié)進(jìn)入汽缸的燃料量。
    柴油發(fā)動機(jī)被設(shè)計成可用貧氣操作，可使用比化學(xué)計量比更多的空氣，N0x減排催化劑不工作，而氧化催化劑可有效的減少C0和未燃烴和一些懸浮物質(zhì)。這是柴油車N0x排放量常高于汽油車的原因。
    如不用催化劑和O2敏感元件，則N0x和C0的排放量完全受到了燃料組分變化引起的空燃比的影響。
    所用的催化劑應(yīng)根據(jù)天然氣的組分變化進(jìn)行修正。催化劑對高烴含量的作用遠(yuǎn)大于甲烷和乙烷。甲烷需要加載更多的催化劑材料，更高的排氣溫度和較低的空間速度(空速)。鈀催化劑常用于甲烷的轉(zhuǎn)換。三元減排催化劑的運(yùn)行區(qū)可見圖7。
 

個案研究四：北美用丙烷-空氣調(diào)峰產(chǎn)生的影響在北美的一些地區(qū)，在配氣系統(tǒng)中加有丙烷-空氣混合物以滿足高峰耗氣量的需要(筆者注-美國首都華盛頓有兩座這樣的調(diào)峰設(shè)施滿足冬季天然氣供應(yīng)不足7天的需要)。在這一條件下，壓縮天然氣中較高烴類含量的變化就很大。在氣庫的服務(wù)站中常有冷凝物排出；在加氣站中，氣庫的壓降會使?jié)舛冗M(jìn)一度增加。這種情況下，對燃?xì)獾馁|(zhì)幾乎不可能作適當(dāng)?shù)目刂啤?/span>
    主要的問題發(fā)生在汽車的汽缸內(nèi)壓縮天然氣中含有高等級的丙烷氣。在低溫和瓶內(nèi)壓力大于5.5MPa時，丙烷將從氣相中析出，形成液體，在發(fā)動機(jī)運(yùn)行時這些液體也無法排除。如果繼續(xù)使用這一燃?xì)?，只有降低壓力才能使丙烷再次氣化，但丙烷在燃?xì)饣旌衔镏械暮恳淹耆煌趯ψ畛鯄嚎s天然氣的要求，這就產(chǎn)生了許多控制和可靠性的問題。
    這一個案說明，原來以丙烷-空氣混合物調(diào)峰的系統(tǒng)，一旦隨著科技的發(fā)展，用戶的擴(kuò)大，需要作為交通輸配的燃料時就會發(fā)生問題，這在1999年10月美國加州能源委員會《壓縮天然氣加氣系統(tǒng)評估》報告中已有說明。一種建議是改用液化天然氣作為調(diào)峰手段，這又將牽連到許多其他的新問題。
3.5 對火焰和溫度控制有要求的加工工藝
    燃?xì)赓|(zhì)量對玻璃工藝和金屬預(yù)熱工藝的影響涉及到爐窯的溫度、火焰的長度、火焰接觸爐壁的溫度(撞擊溫度)和空/燃比，這些均會影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。
    對金屬預(yù)熱工藝而言，燃燒產(chǎn)物中的02含量會影響到氧化鱗狀銹皮的形成。如含O2的等級太低，銹皮就變硬，在鍛造工藝中移動不便；如含02的等級太高，銹皮太厚，金屬損失量增大。
    對玻璃工藝而言，一些問題也與燃?xì)鉁囟扔嘘P(guān)：有色玻璃產(chǎn)品的質(zhì)量取決于爐窯中的空氣條件。如爐窯內(nèi)部含氧的等級或火焰的溫度有變化，色澤的質(zhì)量就會降低。對韌化安全玻璃的切割和拋光要求燃燒器在接近化學(xué)計量比的條件下運(yùn)行，沃泊指數(shù)的任何變化均會影響到火焰的溫度和排放量。
    玻璃工業(yè)所含的范圍很廣，包括：平板玻璃、容器玻璃、模壓吹出玻璃(桌面、烤盤、平板顯示屏、燈泡、顯像管、科學(xué)和醫(yī)用玻璃等)和玻璃纖維(絕緣用、紡織用、材料加強(qiáng)用和光導(dǎo)纖維等)等，對燃?xì)獾馁|(zhì)量各有需求，應(yīng)認(rèn)真研究。
3.6 化學(xué)工業(yè)-甲烷的蒸汽改質(zhì)或重整
    在化學(xué)工業(yè)中，天然氣既可作為燃料也可作為原料。蒸汽改質(zhì)工藝用于從烴類生產(chǎn)H2。H2在工業(yè)上用途很廣，其中的一個重要用途是生產(chǎn)合成氨，是農(nóng)用化肥中氮、磷和尿素的基礎(chǔ)。
    制H2廠的運(yùn)行人員需要有合適的天然氣作原料。天然氣原料中高烴含量的升高(即提高沃泊指數(shù))對甲烷的蒸汽重整工藝而言，由于C的沉積，可導(dǎo)致催化劑的減活或鈍化。此外，由于C02/H2比的提高而影響到工廠的運(yùn)行條件。一種預(yù)重整的工藝可幫助去除不希望含有的雜質(zhì)，改善轉(zhuǎn)換反應(yīng)催化劑的壽命，并使所供的原料有一定的適應(yīng)范圍。
    重整工藝的第一步是脫S。H2S的脫除可防止重整催化劑的中毒。最常用的是活性碳床。因為重?zé)N可降低C和S含量的作用，使C能多次再生。只要用過熱蒸汽通過活性碳床就能達(dá)到要求，并可改善工廠的能源平衡。
4 結(jié)論與認(rèn)識
    (1) 燃?xì)獾膽?yīng)用范圍擴(kuò)大后，國際上傳統(tǒng)民用與商業(yè)用氣在總量中所占的比重逐漸減少，其他工業(yè)用戶如發(fā)電等的比重逐步增加，尤其是發(fā)達(dá)國家更為明顯。為應(yīng)對氣候變化，減少溫室氣體的排放量，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)是必然的趨勢。進(jìn)口LNG、發(fā)展非常規(guī)天然氣和生物質(zhì)氣與現(xiàn)用管道天然氣的互補(bǔ)性必然會促使氣質(zhì)發(fā)生變化。過去以本生火焰為基礎(chǔ)研究制定民用燃具為主的燃?xì)饣Q性方法顯然已不適應(yīng)當(dāng)今世界燃?xì)夤I(yè)發(fā)展形勢的要求，研究工作必須從當(dāng)今終端用戶的要求開始。
    (2) 研究終端用戶要求的目的，旨在解決如何確定互換性要求中的共同參數(shù)問題。共同參數(shù)要從不同應(yīng)用方式的燃燒裝置中提煉出來，形成統(tǒng)一的完善理論，并以足可指導(dǎo)運(yùn)行實踐為目的。應(yīng)把保證燃燒裝置的高效和低排放放在第一位，再旁及必要的有關(guān)燃燒安全的參數(shù)。
    (3) 當(dāng)今研究成果的代表性思路是參照了過去關(guān)于互換性的研究成果。分析結(jié)果表明，仍以沃泊指數(shù)為主要參數(shù)，增加了修正的沃泊指數(shù)和甲烷數(shù)等要求，加上其他的安全參數(shù)，成為當(dāng)今液化天然氣質(zhì)量與互換性研究的基礎(chǔ)，在這一基礎(chǔ)上才有可能形成后續(xù)的互換性方法和質(zhì)量管理的實踐等。
    (4) 圍繞節(jié)能減排的要求，各種應(yīng)用實踐的本身在不斷的發(fā)展且日新月異，是燃?xì)夤I(yè)科技創(chuàng)新的重要部分。因此必須不斷的總結(jié)經(jīng)驗，使互換性方法也不斷完善。本文所介紹的研究成果，僅是近年來的研究所得，其應(yīng)用應(yīng)通過運(yùn)行、使用者的認(rèn)識來判斷。從本文可以認(rèn)識到，必須認(rèn)真做許多實驗研究，研究中必須高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，取得第一性認(rèn)識。
    (5) 從當(dāng)今各國的發(fā)展實踐已明顯看出過去互換性研究中的不足。如本文中個案研究四的示例指出：在管道天然氣調(diào)峰中，如采用液化石油氣加空氣的方法，這種混配氣已不能壓縮后作為車用燃料，這是過去認(rèn)為可互換的燃?xì)獠荒苓m應(yīng)當(dāng)今要求的一個例子。
    (6) 在民用燃具中有所謂適應(yīng)性的問題。當(dāng)燃?xì)馐褂糜诟黝惞I(yè)用戶后，要密切關(guān)注工業(yè)控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展。如本文中所介紹的催化式排氣凈化器等，均屬于解決互換性的互補(bǔ)技術(shù)，也就是以控制技術(shù)來擴(kuò)大互換范圍的一種思路。大量資料表明，天然氣的節(jié)能、減排效果不能無端產(chǎn)生，還得有先進(jìn)的應(yīng)用技術(shù)來保證，燃?xì)赓|(zhì)量的穩(wěn)定和變化范圍是一個重要的前提。
 
(本文作者：李猷嘉 中國市政工程華北設(shè)計研究總院 300074)