天然气热利用率及影响因素

第13卷第1期燃烧科学与技术Vol 13 No. 12007年2月Journal of Combustion Science and TechnologyFeb.2007天然气热利用率及影响因素田贯三,付林2,张世钢2(1.山东建筑大学热能工程学院,济南250014;2.清华大学建筑技术科学系,北京100084)摘要:用热力学理论和燃烧理论建立了天然气排烟温度与热利用率的计算模型,计算得出了天然气热利用率与排烟温度的关系曲线可供实际工程参考对影响天然气热利用率的因素(排烟温度、过剩空气系数和烟气冷凝温度)的主要影响因素(燃烧空气含湿量)进行了定量分析,提出了提高天然气热利用率的措施,可使天然气的热利用效率提高10%-20%关键词:天然气;排烟温度;过剩空气系数;热利用率;冷凝温度中图分类号:TK417文献标志码:A文章编号: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天然气燃烧后排出的烟气中含有大量的水蒸气,水反应化学方程式计算任何碳氢化合物的反应通式蒸气的汽化潜热为天然气低热值的10%-11%因此烟为46气不仅有大量的物理显热,而且还有水蒸气的汽化潜CnH+(m+0.25n)O2+3.67(m+热由于天然气是一种高价格的优质洁净燃料,充分利0.25n)N2=mCO2+3.67(m+用天然气烟气的余热是天然气高效利用的一个重要手0.25n)N2+0.5nH2O(1)段天然气烟气余热进一步利用的手段主要是预热燃烧根据式(1),天然气燃烧的理论空气量和理论烟空气用烟气余热加热锅炉和冷凝锅炉等,现在也有人气量可分别为提出利用热泵进一步回收天然气烟气余热3v=(∑(m+0.25n)9cm,)211天然气烟气的含湿量W= V +v+y天然气烟气的含湿量与天然气的成分有关,主要式中:V2为烟气中的CO2气体体积,V2=0.01(q2是碳氢比烟气的含湿量可根据天然气的成分与燃烧+∑mpcn);o为烟气中的水蒸气体积yVho=Q01x收稿日期:200604-12.基金项目:北京市重大课题资助项目(H021820040620)烧科学与技术第13卷第①05mc+120d),其中以为空气的含湿量kg/m3;11烟气的含湿量在含有1kg干烟气的湿烟气中,所含水蒸气的质为烟气中的氮气体积V2=07V+01m甲、量称为烟气含湿量d“表示为φsq2%y和φo2分别为天然气各种组分的体积分数为了保证天然气在炉内完全燃烧,通常空气量大d1800·Pn于化学计量浓度空气量,设实际提供的空气量为v(114.27+521.65a)/(1.024+9.64a)·p实际空气量与理论空气量之比称为过量空气系数,即(4)式中:P为烟气的分压力;pn为水蒸气在温度T下的根据式(3)、式(4)可计算出不同过剩空气系数下饱和蒸汽压的各种天然气烟气中水蒸气的摩尔成分和质量成分12烟气中水蒸气冷凝率表1为两种天然气的体积分数在某一压力下烟气中的水蒸气达到饱和状态时所对应的烟气温度称露点温度,低于该温度时烟气便产表1两种天然气的体积分数%生冷凝水定义烟气中水蒸气冷凝率为单位体积天然「产地」c,吗馬HCHo|馬s其他气燃烧生成的烟气所产生的凝结水量与燃烧所产生水陕甘宁9.140.9063031.11.0∞01|0.06蒸气量的比值四川980.30.30.4本文的计算条件:烟气压力为101325Pa,燃烧空气温度是0℃,天然气为干气,烟气中水蒸气总量等于烟气中的水蒸气的摩尔分数与质量分数与过剩空燃烧产生的水蒸气量与燃烧空气带入的水蒸气量之气系数的关系分别见图1、图2两种天然气燃烧后烟和根据天然气的组成、式(3)、式(4)与定义,烟气中气的水蒸气含量几乎相同,烟气中水蒸气的摩尔分数水蒸气冷凝率和质量分数随过量空气系数增大而减少,过量空气系中=(0.01(∑0.5n9cB,)po+ doavop, A数a一般为1.1~3.5,相应烟气中水蒸气的摩尔分数为6%-18%,质量分数为36%-12%,也就是1m3天d(vco, Pco VN PN,+ vo(a-1)p))/然气燃烧后可产生1.6kg左右的水蒸气(0.01(∑0.5n9,)pm0)=(1680+46.53aA-d(11.616+12464(a-1)/1680北京气式中:pH0为标准状态水蒸气密度,gm2;d为燃烧空四川气气饱和状态的含湿量,g/kg;λ为燃烧空气相对湿度;p2为标准状态二氧化碳的密度kg/m2;p为标准状态空气的密度,kg/m2天然气热利用率过量空气系数21天然气热效率与排烟温度的关系图1水燕气的康尔分数与过量空气系数的关系1m3的天然气燃烧产生的烟气在不同排烟温度下的焓等于理论烟气量的焓与过剩空气的焓之和,即一陕甘宁气h=Vo2Cco+(1-中+dAap2(∑0.5mc,)pm0))C∑0.5m)VM, cx, r +(a-1)voc, te式中h1为排烟的热焓,kJ/m;cm、cm1o、cm2和c分别过量空气系数为CO2、水蒸气、N2和空气的平均容积定压热容,k(m3·℃);为排烟温度,℃图2水燕气的质量分数与过量空气系数的关系本研究把天然气的热利用率η定义为低热值和烟气冷凝水汽化潜热之和减去排烟带走热量后,与低2007年2月田贯三等:天然气热利用率及影响因素热值之比,即烟温度降低到冷凝温度以下,由于利用了天然气烟气η=(H1+ dVH,oPH2o-h)H1(8)的冷凝热使天然气热利用率显著提高由图3可知,式中:H1为天然气的低热值,kJ/m3当过剩空气系数在1~3范围内变化时,所对应的排烟图3为陕甘宁天然气用式(8)计算出的天然气热温度为32~56.5℃,天然气烟气的热利用率为100%,利用率与排烟温度的关系,在烟气中水蒸气没有产生如果低于这一排烟温度范围,热利用率可超过100%冷凝时,随排烟温度的降低热效率以直线关系上升;当23.2过剩空气系数产生冷凝时,随排烟温度的降低热效率以曲线关系上过剩空气系数对天然气热利用率影响非常大,随升,开始效率增加较快,在20℃以下时,增加变慢过剩空气系数增大热利用率降低,排烟温度的升高使过剩空气系数的影响进一步加大,当排烟温度为100℃,过剩空气系数为1时,热利用率可达到96%,过剩空气系数为3时,热利用率可达到89%,两者相差7%同时,过剩空气系数还影响烟气冷凝温度,过剩空气系0.90数越大,烟气冷凝温度越低,不利于烟气冷凝热的回20.8收所以在天然气实际应用中,尽量降低过剩空气系K0.70数,对于燃气轮机等过剩空气系数大的设备,应当尽量a=3降低排烟温度,减少排烟损失排烟温度/℃燃烧空气含湿量图3天然气热利用率与排烟温度的关系图4为根据式(6)计算的烟气中水蒸气冷凝率与排烟温度的关系由图可见冷凝率除随烟气温度降低22天然气热效率与排烟温度关系的试验验证而升高外,还与过剩空气系数及空气的相对湿度(0有文献[9]中,斯特林发动机热电联产系统的天然关随过剩空气系数的增大烟气的露点温度降低在相气烟气冷凝换热器回收热量系统冷却水首先进入烟同的烟气温度下冷凝率降低.当过剩空气系数在1-3气冷凝换热器,在冷凝换热器中被预热同时使得部分时,相应的露点温度在39~59℃.在同样的过剩空气烟气冷凝然后这部分预热的冷却水在斯特林发动机系数下,随空气相对湿度的增加,烟气的露点和冷凝率的冷端换热器中被加热加热后的热水进入水箱,经混都有所增加,当空气相对湿度较低和过剩空气系数较水器混合后,直接供给用户使用表2为测量的天然气冷凝水量根据表2的对比结果发现,一般实测值低于计算值2.26%~3.41%,低的主要原因是烟气还有微量0,f100%的冷凝水滴,不能被搜集下来测量,但误差不超过4%满足工程计算要求证明本文提出的烟气冷凝水量计了母算方法是可靠的表2烟气冷凝量计算值与测量值的对比排烟温度/℃排气温度/天然气耗量/计算凝结水量/测量凝结水量小误差/(m3h-1)(kg:h-1)(kgh-2)%图4烟气中水蒸气冷凝率与排烟温度的关系5.5623.823.7751.0.100%3.3332.2638.55.9573.44242086.461345726223天然气热利用率的影响因素2.3.1排烟温度排烟温度是影响天然气热利用率的主要因素降图5空气加湿对天然气热利用率的影响低排烟温度能显著提高天然气的热利用率特别是排燃烧科学与技术第13卷第1期大时,在0℃冷凝率小于1,这是因为此时烟气中的水蒸气含量高于空气带入的水蒸气量对于利用天然气考文献冷凝热的工艺,参加燃烧的空气温度越高,含湿量越[1 Edera m, Kojima F. Development of a new gas absorption大,烟气的冷凝温度越高,在相同的冷凝温度下,天然chiller heater-advanced utilization of气的热利用率越高,图5为a=1时,空气用天然气烟driven co-generation systems for air-conditioning[ J]. Energy气余热及冷凝水加热、加湿后,其热利用率与未加湿时Conuersion and Management, 2002, 43: 1493-1501的对比,图5中空气为加湿到52℃的湿空气冷凝温2] Perry I. Boeschen. A Case study of condensing boiler energy度由59℃提高到71℃时,对相同排烟温度的冷凝工savings[ J]. AHRAE Transactions, 2000, Part 1: 96-10[3] Lazzarin R M, Robert A M. Sorption dehumidification of艺,效率明显提高natural gas exhaust [J]. Heat Recovery Systems and CHP992,12(5):385-3893结论[4]田贯三,付林,江亿用天然气烟气废热作低温热源热泵循环的分析[J].太阳能学报,2003,24(4):472476天然气燃烧烟气的排烟温度和冷凝水量直接影响Tian Guansan, Fu Lin, Jiang Yi. Analyses on the use of其热利用率,通过对天然气燃烧烟气中水蒸气冷凝量waste heat from the flue gas of natural gas by heat pump[J]aris Sinica, 2003, 24(4): 472-476( in Chi-的计算和实验分析可知,如果把天然气燃烧后的排烟温度从200℃降低到30℃,对不同的过量空气系数,[5]KukJ. Efficiency of vapoue-pump-equipped condensin天然气的热利用率从7%~92%提高到103%-108%boilers[J]. Applied Thermal Engineering, 1996, 16(3)节能效果显著.根据对天然气热利用率的影响因素23324(排烟温度、过量空气系数和燃烧空气含湿量)的分[6]姜正侯郭文博,钱申贤,等燃气燃烧与应用[M]·北析,采取必要的措施可提高天然气的热利用率京:建筑工业出版社,1988.(1)冷凝锅炉,充分利用烟气中水蒸气冷凝热,锅Jiang Zhenghou, Guo Wenbo, Qian Shenxian, et aL. Gas炉热效率可提高到100%Combustion and Appliance[ M]. Beijing: China Building(2)余热锅炉回收烟气热量,适应于高温烟气,如Construction Press, 1988(in Chinese)[7] Maertens J. Design of Rankine cycles for power generation天然气燃气轮机热电冷三联供系统中的余热锅炉(3)热泵回收烟气热量,其特点是能回收低温烟[J]. Int Refrig,1986(9):137-70[8 Miura. The development of LNG vaporizer using vacuum气的显热和潜热,可使天然气的热利用率超过100%steam heat( VSV)[J]. Journal of Japan Gas Society(4)用烟气预热燃烧用空气,对温度较高的烟气1992,45:3440效果明显,主要应用于天然气工业窑炉的燃烧中;对低[9]耿克成付林柴沁虎等斯特林热电联产装置的性能于100℃的烟气,效果差测试研究[J]暖通空调,2005(3):59(5)用烟气对燃烧空气加热加湿,可进一步提高Geng Kecheng, Fu Lin, Chai Qinhu, et al. Performance test冷凝换热工艺的热利用率of a stirling cogeneration system[ J]. Journal of Av&Ac,(7)降低过量空气系数2005 (3): 5-9(in Chinese)