第13卷第1期燃燒科學(xué)與技術(shù)Vol 13 No. 12007年2月Journal of Combustion Science and TechnologyFeb.2007天然氣熱利用率及影響因素田貫三,付林2,張世鋼2(1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院,濟南250014;2.清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系,北京100084)摘要:用熱力學(xué)理論和燃燒理論建立了天然氣排煙溫度與熱利用率的計算模型,計算得出了天然氣熱利用率與排煙溫度的關(guān)系曲線可供實際工程參考對影響天然氣熱利用率的因素(排煙溫度、過剩空氣系數(shù)和煙氣冷凝溫度)的主要影響因素(燃燒空氣含濕量)進行了定量分析,提出了提高天然氣熱利用率的措施,可使天然氣的熱利用效率提高10%-20%關(guān)鍵詞:天然氣;排煙溫度;過?？諝庀禂?shù);熱利用率;冷凝溫度中圖分類號:TK417文獻標(biāo)志碼:A文章編號:1006-8740(2007)01-0025-04Analyses on Thermal Efficiency of Using Natural Gas and Impact FactorsTIAN Guan-san, FU Lin?, ZHANG Shi-gang(1. School of Thermal Energy Engineering, Shandong Institute of Architecture and Engineering, Jinan 25004, China2 Department of Building Science, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: According to the combustion theory, the first law of thermodynamics and the gas law, a calculation model is es-tablished. It calculates the relation ship between thermal efficiency of natural gas and flue gas temperature which is shownas curves. Analyses are made on the impact factors such as the dew-point temperature, saturated humidity, and enthalpy offlue,gas of combusted natural gas. The technical means is put forward for increasing thermal efficiency. For the high tem-perature flue gas, the waste heat boiler or air preheater can be used; for the low temperature flue gas, combustion-suppor-ting air can be preheated or humidified, and then the heat pump is used for waste heat recovery from flue gas of natural gasIt can reach the aim of the stair-step usage of the combusted natural gas. The use of the sensible heat and latent heat of partial condensation of flue gas is more efficient, and the thermal efficiency of natural gas can be raised by 10%--20%Keywords: natural gas; flue gas temperature; excess air coefficient; thermal efficiency ratio; condensing temeperature天然氣燃燒后排出的煙氣中含有大量的水蒸氣,水反應(yīng)化學(xué)方程式計算任何碳?xì)浠衔锏姆磻?yīng)通式蒸氣的汽化潛熱為天然氣低熱值的10%-11%因此煙為46氣不僅有大量的物理顯熱,而且還有水蒸氣的汽化潛CnH+(m+0.25n)O2+3.67(m+熱由于天然氣是一種高價格的優(yōu)質(zhì)潔凈燃料,充分利0.25n)N2=mCO2+3.67(m+用天然氣煙氣的余熱是天然氣高效利用的一個重要手0.25n)N2+0.5nH2O(1)段天然氣煙氣余熱進一步利用的手段主要是預(yù)熱燃燒根據(jù)式(1),天然氣燃燒的理論空氣量和理論煙空氣用煙氣余熱加熱鍋爐和冷凝鍋爐等,現(xiàn)在也有人氣量可分別為提出利用熱泵進一步回收天然氣煙氣余熱3v=(∑(m+0.25n)9cm,)211天然氣煙氣的含濕量W= V +v+y天然氣煙氣的含濕量與天然氣的成分有關(guān),主要式中:V2為煙氣中的CO2氣體體積,V2=0.01(q2是碳?xì)浔葻煔獾暮瑵窳靠筛鶕?jù)天然氣的成分與燃燒+∑mpcn);o為煙氣中的水蒸氣體積yVho=Q01x收稿日期:200604-12.基金項目:北京市重大課題資助項目(H021820040620)燒科學(xué)與技術(shù)第13卷第①05mc+120d),其中以為空氣的含濕量kg/m3;11煙氣的含濕量在含有1kg干煙氣的濕煙氣中,所含水蒸氣的質(zhì)為煙氣中的氮氣體積V2=07V+01m甲、量稱為煙氣含濕量d“表示為φsq2%y和φo2分別為天然氣各種組分的體積分?jǐn)?shù)為了保證天然氣在爐內(nèi)完全燃燒,通?？諝饬看骴1800·Pn于化學(xué)計量濃度空氣量,設(shè)實際提供的空氣量為v(114.27+521.65a)/(1.024+9.64a)·p實際空氣量與理論空氣量之比稱為過量空氣系數(shù),即(4)式中:P為煙氣的分壓力;pn為水蒸氣在溫度T下的根據(jù)式(3)、式(4)可計算出不同過?？諝庀禂?shù)下飽和蒸汽壓的各種天然氣煙氣中水蒸氣的摩爾成分和質(zhì)量成分12煙氣中水蒸氣冷凝率表1為兩種天然氣的體積分?jǐn)?shù)在某一壓力下煙氣中的水蒸氣達到飽和狀態(tài)時所對應(yīng)的煙氣溫度稱露點溫度,低于該溫度時煙氣便產(chǎn)表1兩種天然氣的體積分?jǐn)?shù)%生冷凝水定義煙氣中水蒸氣冷凝率為單位體積天然「產(chǎn)地」c,嗎馬HCHo|馬s其他氣燃燒生成的煙氣所產(chǎn)生的凝結(jié)水量與燃燒所產(chǎn)生水陜甘寧9.140.9063031.11.0∞01|0.06蒸氣量的比值四川980.30.30.4本文的計算條件:煙氣壓力為101325Pa,燃燒空氣溫度是0℃,天然氣為干氣,煙氣中水蒸氣總量等于煙氣中的水蒸氣的摩爾分?jǐn)?shù)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)與過剩空燃燒產(chǎn)生的水蒸氣量與燃燒空氣帶入的水蒸氣量之氣系數(shù)的關(guān)系分別見圖1、圖2兩種天然氣燃燒后煙和根據(jù)天然氣的組成、式(3)、式(4)與定義,煙氣中氣的水蒸氣含量幾乎相同,煙氣中水蒸氣的摩爾分?jǐn)?shù)水蒸氣冷凝率和質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨過量空氣系數(shù)增大而減少,過量空氣系中=(0.01(∑0.5n9cB,)po+ doavop, A數(shù)a一般為1.1~3.5,相應(yīng)煙氣中水蒸氣的摩爾分?jǐn)?shù)為6%-18%,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%-12%,也就是1m3天d(vco, Pco VN PN,+ vo(a-1)p))/然氣燃燒后可產(chǎn)生1.6kg左右的水蒸氣(0.01(∑0.5n9,)pm0)=(1680+46.53aA-d(11.616+12464(a-1)/1680北京氣式中:pH0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)水蒸氣密度,gm2;d為燃燒空四川氣氣飽和狀態(tài)的含濕量,g/kg;λ為燃燒空氣相對濕度;p2為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)二氧化碳的密度kg/m2;p為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空氣的密度,kg/m2天然氣熱利用率過量空氣系數(shù)21天然氣熱效率與排煙溫度的關(guān)系圖1水燕氣的康爾分?jǐn)?shù)與過量空氣系數(shù)的關(guān)系1m3的天然氣燃燒產(chǎn)生的煙氣在不同排煙溫度下的焓等于理論煙氣量的焓與過?？諝獾撵手?即一陜甘寧氣h=Vo2Cco+(1-中+dAap2(∑0.5mc,)pm0))C∑0.5m)VM, cx, r +(a-1)voc, te式中h1為排煙的熱焓,kJ/m;cm、cm1o、cm2和c分別過量空氣系數(shù)為CO2、水蒸氣、N2和空氣的平均容積定壓熱容,k(m3·℃);為排煙溫度,℃圖2水燕氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與過量空氣系數(shù)的關(guān)系本研究把天然氣的熱利用率η定義為低熱值和煙氣冷凝水汽化潛熱之和減去排煙帶走熱量后,與低2007年2月田貫三等:天然氣熱利用率及影響因素?zé)嶂抵?即煙溫度降低到冷凝溫度以下,由于利用了天然氣煙氣η=(H1+ dVH,oPH2o-h)H1(8)的冷凝熱使天然氣熱利用率顯著提高由圖3可知,式中:H1為天然氣的低熱值,kJ/m3當(dāng)過?？諝庀禂?shù)在1~3范圍內(nèi)變化時,所對應(yīng)的排煙圖3為陜甘寧天然氣用式(8)計算出的天然氣熱溫度為32~56.5℃,天然氣煙氣的熱利用率為100%,利用率與排煙溫度的關(guān)系,在煙氣中水蒸氣沒有產(chǎn)生如果低于這一排煙溫度范圍,熱利用率可超過100%冷凝時,隨排煙溫度的降低熱效率以直線關(guān)系上升;當(dāng)23.2過?？諝庀禂?shù)產(chǎn)生冷凝時,隨排煙溫度的降低熱效率以曲線關(guān)系上過?？諝庀禂?shù)對天然氣熱利用率影響非常大,隨升,開始效率增加較快,在20℃以下時,增加變慢過?？諝庀禂?shù)增大熱利用率降低,排煙溫度的升高使過?？諝庀禂?shù)的影響進一步加大,當(dāng)排煙溫度為100℃,過剩空氣系數(shù)為1時,熱利用率可達到96%,過?？諝庀禂?shù)為3時,熱利用率可達到89%,兩者相差7%同時,過?？諝庀禂?shù)還影響煙氣冷凝溫度,過?？諝庀?.90數(shù)越大,煙氣冷凝溫度越低,不利于煙氣冷凝熱的回20.8收所以在天然氣實際應(yīng)用中,盡量降低過?？諝庀礙0.70數(shù),對于燃?xì)廨啓C等過?？諝庀禂?shù)大的設(shè)備,應(yīng)當(dāng)盡量a=3降低排煙溫度,減少排煙損失排煙溫度/℃燃燒空氣含濕量圖3天然氣熱利用率與排煙溫度的關(guān)系圖4為根據(jù)式(6)計算的煙氣中水蒸氣冷凝率與排煙溫度的關(guān)系由圖可見冷凝率除隨煙氣溫度降低22天然氣熱效率與排煙溫度關(guān)系的試驗驗證而升高外,還與過?？諝庀禂?shù)及空氣的相對濕度(0有文獻[9]中,斯特林發(fā)動機熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的天然關(guān)隨過?？諝庀禂?shù)的增大煙氣的露點溫度降低在相氣煙氣冷凝換熱器回收熱量系統(tǒng)冷卻水首先進入煙同的煙氣溫度下冷凝率降低.當(dāng)過?？諝庀禂?shù)在1-3氣冷凝換熱器,在冷凝換熱器中被預(yù)熱同時使得部分時,相應(yīng)的露點溫度在39~59℃.在同樣的過?？諝鉄煔饫淠缓筮@部分預(yù)熱的冷卻水在斯特林發(fā)動機系數(shù)下,隨空氣相對濕度的增加,煙氣的露點和冷凝率的冷端換熱器中被加熱加熱后的熱水進入水箱,經(jīng)混都有所增加,當(dāng)空氣相對濕度較低和過剩空氣系數(shù)較水器混合后,直接供給用戶使用表2為測量的天然氣冷凝水量根據(jù)表2的對比結(jié)果發(fā)現(xiàn),一般實測值低于計算值2.26%~3.41%,低的主要原因是煙氣還有微量0,f100%的冷凝水滴,不能被搜集下來測量,但誤差不超過4%滿足工程計算要求證明本文提出的煙氣冷凝水量計了母算方法是可靠的表2煙氣冷凝量計算值與測量值的對比排煙溫度/℃排氣溫度/天然氣耗量/計算凝結(jié)水量/測量凝結(jié)水量小誤差/(m3h-1)(kg:h-1)(kgh-2)%圖4煙氣中水蒸氣冷凝率與排煙溫度的關(guān)系5.5623.823.7751.0.100%3.3332.2638.55.9573.44242086.461345726223天然氣熱利用率的影響因素2.3.1排煙溫度排煙溫度是影響天然氣熱利用率的主要因素降圖5空氣加濕對天然氣熱利用率的影響低排煙溫度能顯著提高天然氣的熱利用率特別是排燃燒科學(xué)與技術(shù)第13卷第1期大時,在0℃冷凝率小于1,這是因為此時煙氣中的水蒸氣含量高于空氣帶入的水蒸氣量對于利用天然氣考文獻冷凝熱的工藝,參加燃燒的空氣溫度越高,含濕量越[1 Edera m, Kojima F. Development of a new gas absorption大,煙氣的冷凝溫度越高,在相同的冷凝溫度下,天然chiller heater-advanced utilization of氣的熱利用率越高,圖5為a=1時,空氣用天然氣煙driven co-generation systems for air-conditioning[ J]. Energy氣余熱及冷凝水加熱、加濕后,其熱利用率與未加濕時Conuersion and Management, 2002, 43: 1493-1501的對比,圖5中空氣為加濕到52℃的濕空氣冷凝溫2] Perry I. Boeschen. A Case study of condensing boiler energy度由59℃提高到71℃時,對相同排煙溫度的冷凝工savings[ J]. AHRAE Transactions, 2000, Part 1: 96-10[3] Lazzarin R M, Robert A M. Sorption dehumidification of藝,效率明顯提高natural gas exhaust [J]. Heat Recovery Systems and CHP992,12(5):385-3893結(jié)論[4]田貫三,付林,江億用天然氣煙氣廢熱作低溫?zé)嵩礋岜醚h(huán)的分析[J].太陽能學(xué)報,2003,24(4):472476天然氣燃燒煙氣的排煙溫度和冷凝水量直接影響Tian Guansan, Fu Lin, Jiang Yi. Analyses on the use of其熱利用率,通過對天然氣燃燒煙氣中水蒸氣冷凝量waste heat from the flue gas of natural gas by heat pump[J]aris Sinica, 2003, 24(4): 472-476( in Chi-的計算和實驗分析可知,如果把天然氣燃燒后的排煙溫度從200℃降低到30℃,對不同的過量空氣系數(shù),[5]KukJ. Efficiency of vapoue-pump-equipped condensin天然氣的熱利用率從7%~92%提高到103%-108%boilers[J]. Applied Thermal Engineering, 1996, 16(3)節(jié)能效果顯著.根據(jù)對天然氣熱利用率的影響因素23324(排煙溫度、過量空氣系數(shù)和燃燒空氣含濕量)的分[6]姜正侯郭文博,錢申賢,等燃?xì)馊紵c應(yīng)用[M]·北析,采取必要的措施可提高天然氣的熱利用率京:建筑工業(yè)出版社,1988.(1)冷凝鍋爐,充分利用煙氣中水蒸氣冷凝熱,鍋Jiang Zhenghou, Guo Wenbo, Qian Shenxian, et aL. Gas爐熱效率可提高到100%Combustion and Appliance[ M]. Beijing: China Building(2)余熱鍋爐回收煙氣熱量,適應(yīng)于高溫?zé)煔?如Construction Press, 1988(in Chinese)[7] Maertens J. Design of Rankine cycles for power generation天然氣燃?xì)廨啓C熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)中的余熱鍋爐(3)熱泵回收煙氣熱量,其特點是能回收低溫?zé)焄J]. Int Refrig,1986(9):137-70[8 Miura. The development of LNG vaporizer using vacuum氣的顯熱和潛熱,可使天然氣的熱利用率超過100%steam heat( VSV)[J]. Journal of Japan Gas Society(4)用煙氣預(yù)熱燃燒用空氣,對溫度較高的煙氣1992,45:3440效果明顯,主要應(yīng)用于天然氣工業(yè)窯爐的燃燒中;對低[9]耿克成付林柴沁虎等斯特林熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的性能于100℃的煙氣,效果差測試研究[J]暖通空調(diào),2005(3):59(5)用煙氣對燃燒空氣加熱加濕,可進一步提高Geng Kecheng, Fu Lin, Chai Qinhu, et al. Performance test冷凝換熱工藝的熱利用率of a stirling cogeneration system[ J]. 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