甲烷与氢气混合燃烧的理论计算分析.pdf
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1、甲烷与氢气混合燃烧的理论计算分析*张永伟 李 萍 艾冬华 袁钧宇 梁益斌 郑锴杰 伍志良(新明珠集团股份有限公司 广东 佛山 5 2 8 0 9 9)摘 要 笔者介绍了甲烷与氢气混合燃烧的具体计算方法,对不同混合比的甲烷与氢气混合燃料进行了理论计算比较分析。利用计算得到燃气的低位热值、理论空气量、理论烟气量、标况密度、价格、单位热值价格、单位热值所需理论空气量、单位热值产生理论烟气量等,对规范建筑陶瓷生产过程能耗实时监控、能源优化调度、能耗数据管理等具有一定的借鉴和指导作用。关键词 燃气 燃烧 计算 分析 热值中图分类号:TQ 1 7 4.6+5 5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 2-
2、2 8 7 2(2 0 2 3)1 0-0 0 4 6-0 6T h e o r e t i c a lC a l c u l a t i o na n dA n a l y s i so fM e t h a n ea n dH y d r o g e nM i x e dC o m b u s t i o nZ h a n gY o n g w e i,L iP i n g,A iD o n g h u a,Y u a nJ u n y u,L i a n gY i b i n,Z h e n gK a i j i e,WuZ h i l i a n g(N e w P e a r lG
3、r o u pC o.L t d,G u a n g d o n g,F o s h a n,5 2 8 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h es p e c i f i cc a l c u l a t i o nm e t h o do fm e t h a n e a n dh y d r o g e nm i x e dc o m b u s t i o n i s i n t r o d u c e d,a n d t h e t h e o r e t i c a l c a l-c u l a t i o na n dc o m p a r i
4、 s o no fm e t h a n ea n dh y d r o g e nm i x e df u e lw i t hd i f f e r e n tm i x i n gr a t i o sa r ec a r r i e do u t.T h e l o wc a l o r i f i cv a l u e,t h e o r e t i c a l a i rv o l u m e,t h e o r e t i c a l f l u eg a sv o l u m e,s t a n d a r dc o n d i t i o nd e n s i t y,p r
5、 i c e,u n i tc a l o r i f i cv a l u ep r i c e,a i rv o l u m er e q u i r e db yu n i tc a l o r i f i cv a l u e,a n df l u eg a sv o l u m eg e n e r a t e db yu n i tc a l o r i f i cv a l u eo ft h eg a sa r ec a l c u l a t e d,w h i c hh a sc e r t a i nr e f e r e n c ea n dg u i d a n c
6、e f o rs t a n d a r d i z i n gt h e r e a l-t i m em o n i t o r i n go f e n e r g yc o n s u m p t i o n i nt h ep r o d u c-t i o np r o c e s so fb u i l d i n gc e r a m i c s,e n e r g yo p t i m i z a t i o na d j u s t m e n t,a n de n e r g yc o n s u m p t i o nd a t am a n a g e m e n t
7、.K e yw o r d s:G a s;c o m b u s t i o n;C a l c u l a t i o n;A n a l y s i s;C a l o r i f i cv a l u e1 概述天然气是存在于地下岩石储集层中以烃为主体的混合气体的统称,比重约0.6 5,比空气轻,具有无色、无味、无毒之特性。天然气主要由甲烷(8 5%)和少量乙烷(9%)、丙烷(3%)、氮(2%)和丁烷(1%)组成,此外一般有硫化氢、二氧化碳、氮和水汽和少量一氧化碳及微量的稀有气体,如氦和氩等。天然气主要用途是作燃料,天然气每立方燃烧热值为80 0 085 0 0k c a l。每公斤液
8、化气燃烧热值为1 10 0 0k c a l。气态液化气的比重为0.5 5。每立方液化气燃烧热值为2 52 0 0k c a l。每瓶液化气重1 4.5k g,总计燃烧热值为1 5 95 0 0k c a l,相当于2 0m3天然气的燃烧热值。根据公司相关记录可知,在2 0 2 0年广东产区“煤改气”初期,天然气价格约为2.4元/m3,而当时煤炭价格约9 0 0元/t左右;2 0 2 3年广东产区的燃料价格,煤炭到厂价为13 5 014 5 0元/t,管道天然气价格大约是4.0、4.2元/m3,L NG天然气价格在3.5、3.8元/m3左右(不同产区,具体价格存在差异),由此可见,可见生产成本
9、较高。图1显示化石原料使用的变迁,其规律是从重油、轻油、汽油、柴油,到天然气、醇醚方向发展,即从碳氢化合物C n Hm的m/n朝着增大的方向发展,碳的使用渐渐变少,其过程就是逐步脱碳的过程,氢是最佳的方向,称得上是未来最为洁净、能量密度最大的能源。氢气资源可以来源于无穷的海水、可再生植物、煤炭、天然气等,在地球上可谓无处不在,是一种取之不尽、用之不竭的能源,而且氢氧结合的燃烧产物是最干净的物质 水,是最理想的C O2零排放燃料,可以用于交通、工业、建筑、电力等各种设施上,因此,开发氢能源对人类社会可持续发展具有重要意义。氢气和电力一样是一种二次能源,相比之下,氢气能源则是:不像石油那样分布不均
10、匀,可以利用各种能源资源来制造氢气;利用燃料电池可以高效地将化学能转变成电64 陶陶 瓷瓷 CC ee rr aa mm ii cc ss (综述)2 0 2 3年1 0月*作者简介:张永伟(1 9 8 2-),研究生,中级工程师;研究方向为陶瓷材料以及陶瓷行业能源环保管理。能,将化石燃料制备成氢气,再转变成电,可以节省能量;没有灰尘、没有废气,环境友好;可以用多种形态的方式进行存储和输运1。碳氢化合物C n Hm的m/n图1 人类使用能源资源变迁规律 为优化我司能源结构,专门成立能源研究小组对相关问题进行专项研究。笔者就天然气掺氢燃烧理论计算进行讨论分析。2 甲烷与氢气的性质对比氢气和天然气
11、的主要组分甲烷物理化学性质如表1所示。表1中的密度、低热值、高热值均为2 0、标准大气压下的值。表1 氢气和天然气的主要组分甲烷物理化学性质2性质甲烷氢气相对分子质量1 6.0 42.0 2临界温度(k)1 9 0.6 53 3.2临界压力(MP a)4.5 4 01.3 1 5密度(k g/m-3)0.7 1 40.0 8 9低热值(J M/m-3)3 5.8 21 0.8 0高热值(M J/m-3)3 7.7 71 2.0 9离焰常数0.6 70.6 0爆炸极限(%)5.71 4.01 8.25 8.9理论空气需要量(m3m-3)9.5 2 42.3 8 1向空气扩散的系数(m2s-1)1
12、.61 0-56.11 0-53 理论计算过程与结果研究小组主要通过利用自主设计的燃气燃烧计算分析系统计算得到燃气的低位热值、理论空气量、理论烟气量、标况密度、价格、单位热值价格、单位热值所需理论空气量、单位热值产生理论烟气量等不同比例下的具体计算值3,计算采用的标准状态为0、标准大气压,天然气和氢气价格分别按5元/Nm3和1.7 8元/Nm3计算。具体情况如表2所示。表2 不同比例混合气的重要性能指标组成成分百分量(%)低位热值燃气名称H2CH4k J/Nm3k J/k g理论空气量(Nm3/Nm3)理论烟气量(Nm3/Nm3)单位热值所需理论空气量(Nm3/M J)单位热值产生理论烟气量(
13、Nm3/M J)标况密度(k g/Nm3)价格(元/Nm3)单位热值价格(元/M J)单位热值所需空气量或单位热值产生烟气量随空气过剩系数变化的速率(Nm3/M c a l)H2-0 01 0 0 3 58 1 6.2 5 15 01 4 2.7 5 1 9.5 2 41 0.5 2 40.2 6 5 90.2 9 3 80.7 1 45.0 00.1 4 0 01.1 1 2H2-5 59 53 45 6 5.2 2 85 06 0 5.3 0 1 9.1 6 71 0.1 4 20.2 6 520.2 9 340.6 8 34.8 4 0.1 4 151.1 0 9H2-1 01 09 0
14、3 33 1 4.2 0 65 11 1 2.2 0 6 8.8 1 09.7 6 00.2 6 440.2 9 300.6 5 24.6 8 0.1 4 301.1 0 5H2-1 51 58 53 20 6 3.1 8 45 16 7 0.1 6 6 8.4 5 29.3 7 70.2 6 360.2 9 250.6 2 14.5 2 0.1 4 451.1 0 2H2-2 02 08 03 08 1 2.1 6 15 22 8 7.3 0 4 8.0 9 58.9 9 50.2 6 270.2 9 190.5 8 94.3 6 0.1 4 601.0 9 8H2-2 52 57 52 9
15、5 6 1.1 3 95 29 7 3.5 6 1 7.7 3 88.6 1 30.2 6 180.2 9 140.5 5 84.2 0 0.1 4 751.0 9 474(综述)2 0 2 3年1 0月 陶陶 瓷瓷 CC ee rr aa mm ii cc ss 续表2H2-3 03 07 02 83 1 0.1 1 65 37 4 1.2 3 8 7.3 8 18.2 3 10.2 6 070.2 9 070.5 2 74.0 3 0.1 4 901.0 9 0H2-3 53 56 52 70 5 9.0 9 45 46 0 5.7 4 0 7.0 2 47.8 4 90.2 5 960.
16、2 9 010.4 9 63.8 7 0.1 5 051.0 8 5H2-4 04 06 02 58 0 8.0 7 25 55 8 6.6 1 6 6.6 6 77.4 6 70.2 5 830.2 8 930.4 6 43.7 1 0.1 5 201.0 8 0H2-4 54 55 52 45 5 7.0 4 95 67 0 9.0 6 3 6.3 1 07.0 8 50.2 5 690.2 8 850.4 3 33.5 5 0.1 5 351.0 7 4H2-5 05 05 02 33 0 6.0 2 75 80 0 6.1 1 2 5.9 5 26.7 0 20.2 5 540.2 8
17、 760.4 0 23.3 9 0.1 5 501.0 6 8H2-5 55 54 52 20 5 5.0 0 55 95 2 1.9 4 1 5.5 9 56.3 2 00.2 5 370.2 8 660.3 7 13.2 3 0.1 5 651.0 6 0H2-6 06 04 02 08 0 3.9 8 26 13 1 7.0 0 1 5.2 3 85.9 3 80.2 5 180.2 8 540.3 3 93.0 7 0.1 5 801.0 5 2H2-6 56 53 51 95 5 2.9 6 06 34 7 6.2 7 6 4.8 8 15.5 5 60.2 4 960.2 8 42
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