燃氣質量變化對終端用戶的影響——當今液化天然氣質量與瓦換性研究進展論述之一

摘 要

一 前言近年來，世界燃氣工業發展迅速，有兩個特點非常明顯。第一，國際貿易量不斷增加，除管道天然氣外，液化天然氣(LNG)也逐步形成了國際市場，其標志是出現了現貨市場，預計貿易量在20
一 前言
近年來，世界燃氣工業發展迅速，有兩個特點非常明顯。第一，國際貿易量不斷增加，除管道天然氣外，液化天然氣(LNG)也逐步形成了國際市場，其標志是出現了現貨市場，預計貿易量在2020年將達世界天然氣消費量的17%。第二，天然氣的應用范圍日益擴大，除民用、商業外已擴大到許多下業(包括電力)和交通運輸業。
    當前，世界各國天然氣工業的發展已做為應對氣候變化、開啟低碳未來的重要措施之一。不同用戶對燃氣的質量，特別是燃氣質量的變化有自己的要求。滿足不同用戶的質量要求已成為發展中的障礙和重要的前提。燃氣質量中的互換問題重又凸顯。當今，研究燃氣質量中的互換性問題，應考慮到以下3個層次的內容：
    (1) 終端用戶對燃氣質量的要求。由于燃氣鏈由上、中、下游3個部分組成，各部分所涉及的技術內涵也不同，但滿足各類終端用戶的要求應是共同的目標。當前，即使直接為用戶服務的下游燃氣企業也不能只滿足傳統的民用、商業和一般工業用途的氣質要求，還必須了解和掌握諸如發動機、燃氣輪機和眾多特殊工業對燃氣質量的要求。一些發達國家遠遠走在前面，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，除常規管道天然氣外，還有進口的液化天然氣、非常規的天然氣和各種生物質氣等，其組分變化很大。能否利用同一供氣系統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到安全、高效和低排放的目的。
    (3) 如果燃氣質量的變化不能滿足各類用戶使用的燃氣設施對燃氣質量的要求，就必須有相應的對策，在安全和經濟合理的前提下可對不同方案進行評估，做出燃氣質量管理的正確決策。
    值得注意的是，自2005年美國發表《天然氣的互換性和非燃燒終端使用白皮書》以來，已引起歐洲一些發達國家的重視。有鑒于此，國際燃氣聯盟(IGU)2006—2009的研究計劃中提出了《液化天然氣的質量與互換性》的課題。研究中歐洲一些國家的燃氣組織發表了很多論文，討論的焦點和分歧也十分明顯。國際燃氣聯盟委托英國BP集團寫出了《燃氣互換性和燃氣質量手冊》(Guidebook to Gas Interchangeability and Gas Quality)，以英國的研究為基礎，廣泛的反映了當前存在的問題，也包括LNG的生產、供應、壽命期和使用的技術進展以及當前各國天然氣質量標準的狀況等，值得深入研究，開拓視野。由于國際燃氣聯盟是一個非政府間組織，無權制訂、也不存在IGU的標準問題，因此宣稱：BP或IGU不能保證文件中數據的準確性和承擔任何人據此使用的責任。本書的出版也標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。
    筆者根據個人的學習和認識以及對我國情況的了解和分析，參考本書的內容和近年來國際上發表的有關論文，按上述的3個層次，寫出了《當今液化天然氣質量與互換性研究進展論述》之一、之二和之三，即：
    之一：燃氣質量變化對終端用戶的影響；
    之二：液化天然氣互換性和質量的研究進展；
    之三：燃氣質量管理方法與實踐。
    由于我國的燃氣工業與發達國家的實踐相比已落后了半個多世紀，在廣度和深度上都有差距，只有認真研究發達國家的經驗，從中預知我國也可能發生的問題。更重要的是進行嚴謹的科學試驗，堅持高標準，嚴要求，掌握第一性資料，才能不斷取得進步。
2 問題的時代背景
    本世紀以來，液化天然氣(LNG)的質量與互換性已成為天然氣工業發展中“共同”的突出問題。原因是世界范圍內天然氣的消費不斷增加，而本國氣源的供應量又不斷減少。為保證安全供氣，LNG迅速發展并已逐步形成了國際市場。貿易量1990年為56Mt，約占全球天然氣的4%；2004年為131Mt，約占7%；2020年預計將達500Mt，約相當該時天然氣的17%[2]。此外，天然氣的用氣范圍除民用、商業外，早已擴大到許多工業(包括電力)和交通運輸，引進LNG后，終端用戶對LNG的氣質提出了不同的要求，原因是LNG的組分與原使用的天然氣發生了很大的變化。不同LNG出口國的LNG高熱值和沃泊指數可見表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市場對質量的要求[3]
    (1) 日本、韓國通常用高沃泊指數的LNG(WI＞52MJ/m3)，特點是已建成了世界最大的LNG市場，LNG鏈已得到優化。用摻混LPG的方法調整燃氣的質量，有法律依據，氣質長期穩定。當前對LNG質量的討論與日本關系不大。
    (2) 歐盟要求有較寬的質量允許范圍，如兩班牙。特點是已建立了管道氣的市場，由于跨國聯網涉及的國家很多(常稱歐盟27國)，各國所要求的燃氣質量不一，甚至采用的狀態標準都不同。歐盟正在推動各國接受一個更寬的質量范圍，南歐洲氣體能量交換合理化協會(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的LNG(WI＜52MJ/m3)。發展起來的LNG市場需利用已有的天然氣管道供應，LNG的質量要考慮與現用天然氣的互換性，質量的調節除了靠購氣合同限制外，也考慮用加氮方法調節燃氣的質量。
    (4) 新發展的LNG市場，如中國、印度等，當前LNG的價格是發展的主要推動力，正在開始注意研究適應不同質量的方法。
2.2 用什么指標或參數來確定LNG的質量？
2.2.1主要內容
    (1) 燃氣的高熱值，代表燃氣的能含量；
    (2) 沃泊指數，是燃氣互換性的主要指數。
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(水、烴)和雜質等。
2.2.3 統一使用的標準狀態
    IS0 13443：1996(15℃/1atm)
2.3 關于互換性的要求
   (1) 用沃泊指數表示燃燒器火焰的輸入能量(負荷人力)。
    (2) 在沃泊指數的范圍內，主要互換參數還必須滿足：
    a. 控制N0x和其他氣體的排放量；
    b. 燃燒器的高效率；
    c. 燃燒設備的安全運行。
2.4 市場對燃氣質量的適應性限制
    (1) 根據燃氣發動機的要求和成本決定LPG的摻混量，如日本；
    (2) 各國均有大量的民用燃具在使用：a.老的燃具不允許燃氣的質量有太大的變化；b.質量變化的成本和安全風險必須考慮(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) 燃氣輪機的制造商要求相對穩定的燃氣質量。
    國際市場中LNG的不斷增長(熱值遠高于管道天然氣)，燃氣應用中新型燃具的不斷出現(高效、節能、減排)，以及歐盟27國為統一燃氣的質量標準出現的復雜性和不同意見，導致燃氣質量中的互換問題重又為各國所關注。質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。本文討論的內容反映了終端用戶對燃氣質量的現實要求，也是所以產生燃氣互換性問題的根本源點，是必須制訂燃氣質量標準的重要依據。
3 對終端用戶的影響
3.1 燃燒器的類型[1]
    在工業和商業用燃燒器的系統中，擴散型火焰和預混空氣型火焰根據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：擴散火焰或后吸氣式(補充吸氣式)燃燒器；大氣式燃燒器；空氣-鼓風式燃燒器；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。
    燃氣質量和組分的變化會直接影響到燃燒特性，對系統的運行和產品的質量產生不利影響。影響的大小決定于應用方法、燃燒器及控制系統。影響的結果如下：
    (1) 不穩定燃燒；
    (2) 高污染物的排放；
    (3) 效率降低；
    (4) 出現燃燒問題；
    (5) 出現熱-聲問題。
    不同類型的燃燒設備和相關的燃燒質量問題匯總見表2。
    通常，工業用標準燃燒器均設有供給空氣的鼓風設施，對一定范圍沃泊指數的變化并不敏感，當沃泊指數降低，燃燒器需經一段時間的調節，才能恢復原來的熱負荷。但是，為滿足排放安全的要求，民用燃燒器的沃泊指數調節范圍就很小，使用不符合規定的燃氣常會產生有毒氣體的排放。
    一個燃氣工作者，為了確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，獲得深刻的感性認知后才能更好地把握燃氣質量的影響問題。試驗內容包括：
    (1) 燃氣噴嘴前壓力變化的壓力-流量曲線，以便觀察壓力變化引起的燃燒器熱負荷的變化，也便于研究阻力最小的噴嘴結構；
    (2) 燃燒器的效率-熱負荷曲線，加熱時間-熱負荷曲線，火焰的穩定范圍圖，燃燒產物中C0含量(NOx含量)-熱負荷曲線等；
    (3) 掌握不同離焰等級與脫火的關系；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氣壓力等的關系；引射器的自動調節性能等；
    (4) 其他試驗。如燃氣熱值變化對燃燒器效率的影響曲線；燃氣熱值變化對燃燒產物中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荷、效率的關系等；
    (5) 為了建立效率動態變化規律的概念，不論炊事或工業的工藝過程，可取有代表性的時間段內做出熱負荷-效率曲線，從而求出該時間段的實際平均燃燒效率等。
表2 燃氣燃燒設備和相關的燃氣質量問題
燃燒器類別
關系
控制參數
對燃氣質量的敏感度
民用燃燒
·多數燃燒器不具備完善的壓力調節控制系統
·沃泊指
·高
商業和工業用燃燒器
·應用范圍寬度
·效率
·排放量
·沃泊指數
·熱值
·低-中
燃氣輪機
·效率
·排放量
·輪機的壽命
·沃泊指數
·修正的沃泊指數
·燃氣指數
·燃料指數
·低-高
發動機
·爆燃
·效率
·排放
·穩定的燃燒
·沃泊指數
·甲烷數
·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，熱效率的結果就完全不同。
    有了上述基本功后，對燃氣質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識，帶來共同的語言。
    為使燃燒器適應燃氣質量的變化，在工業設備上也可安裝控制系統，例如安裝在燃氣輪機上的就比常規的燃燒器系統要復雜。而且雖有控制系統，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，對燃氣組分變化的允許范圍均很窄。
    火花點火發動機對燃氣組分變化十分敏感，其性能和排放量決定于良好的點火質量，優化的燃燒率，合適的抗爆性能和燃氣-空氣混合物中能含量的控制。
    燃氣(或燃料)-空氣混合物中的能含量用與化學計量比的關系來表示，如燃氣一空氣混合物中燃氣與空氣的比值相當于化學計量比，則定義當量比Φ=1，Φ＜1表示混合物中的空氣量大于化學計量比，可稱為貧混合氣；Φ＞1表示空氣量小于化學計量比，可稱為富混合氣。中值與我國習慣使用的一次(過剩)空氣系數d的關系為倒數關系，即，一次空氣系數α＜1為富氣，過剩空氣系數α＞1為貧氣。
    上述擴散火焰燃燒和貧預混燃燒的特點是：在擴散火焰燃燒中，燃氣和空氣是由分離的通道導入。燃氣和空氣流混合處的火焰是穩定的，在接近Φ=1(或α=1)時，燃燒進行得十分迅速，火焰溫度很高，在空氣中足以形成N0x。但貧預混式燃燒是燃氣與壓縮空氣預先混合，過剩空氣降低了火焰溫度，是可以避免熱N0x的形成。但燃燒室應在當量比Φ很小的范圍內操作，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 燃氣組分的變化影響工業燃燒器的性能和運行
    對簡單燃燒器的控制系統而言，空氣，燃氣比是一個常量的設定值，通常假設所用燃氣的熱值和沃泊指數也是常量，但對典型的燃燒器，通常設定值與正常條件相比常給以 10%的過剩空氣量。
    對過程控制中的工業燃燒器，熱值的控制多于沃泊指數，因為比較粗放的控制系統常以體積而不是以質量或能量為基礎。
    調整好的燃燒器改用沃泊指數較高的燃氣后將產生以下后果：
    降低了效率。在已定的空氣/燃氣比情況下，使用沃泊指數較高的燃氣會因缺氧而產生不完全燃燒，直接減少了能量輸出，使燃燒效率降低，C0排放量增加。
    相反，如改用低沃泊指數的燃氣，由于過剩空氣量相應的增加，污染物的排放等級將發生變化。煙氣中的含02量提高，也使燃燒的總效率下降。經驗表明，“若煙氣中的02含量比優化條件時增加1%，則必須增加1%～1.5%的燃料消費量”。如果提高供氣壓力，增加燃氣的消費量，雖然煙氣中的含02量減少了，但過多的過剩空氣將使火焰的燃燒速度比正常運行條件時降低，氣流速度大于火焰速度的結果又易于發生脫火，降低效率。
    一些與點火、效率和安全設備運行有關的可操作性問題，不會引發出提高沃泊指數的要求，但會使燃具的C0和N0x排放發生較大的變化。一些老式的燃燒器設計似對燃氣質量的變化并不敏感，但沃泊指數的增加仍會使排放量增加。
3.2.2燃燒器的控制系統
    燃燒器的控制系統是為了保證燃燒器的運行安全和適應燃氣組分的某些變化。對火焰的檢測可能引發出因燃氣組分的變化造成火焰的外形也發生變化，使整個控制系統也發生失誤，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行、生產率和成本。
從工藝性能看，必須考慮到以下因素：
(1) 溫度控制：工業過程要求在一定溫度下運行，以保證產品質量達到設計要求。
    (2) 熱值對負荷或消費量的影響：為保持規定的工藝條件，需要控制熱值和燃燒的熱負荷，并與整個溫度控制相連接。
    (3) 燃燒效率：理論上，雖然高效率相應于燃氣與化學計量的空氣量相混合燃燒，但在實際操作中，供給的空氣應有一定的裕量，避免理想工藝的變化產生不完全燃燒和增加潛在的有毒C0的排放。
    控制系統可能非常復雜，含有信號的反饋和前饋，為整體運行提供信息。
    控制也可分成若干個等級和方法。其復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”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“良好協調”。溫度的控制要求也可利用回應曲線的形式記錄工藝過程的時間與溫度變化關系。
    個案研究之一：工業與商業的燃燒器系統
    美國燃氣工藝研究院(GTI)最近調查了燃氣質量變化對若干工業和商業燃燒器運行狀況的影響，側重在沃泊指數增大對排放量變化的關系，結果如表3。
表3 沃泊指數增大對不同類型燃燒器的影響
燃燒器類型
熱負荷
(MJ/h)
沃泊數增加的影響
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)和美國燃氣工藝研究院研究了民用燃具質量變化與排放量的關系。沃泊指數的增大使一些燃具的高峰排放量也增大。
    沃泊指數的變化對C0排放量的關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(Btu/cf)
    沃泊指數從1335Btu/scf增大到1445Btu/scf(49.66-53.75MJ/m3)時，查試驗結果的圖表(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計成使用天然氣做為燃料，這類廠對沃泊指數發生的變化不敏感，因為機械排煙裝置的布局有足夠的裕量適應增加的沃泊指數。國外曾經有兩個大型熱電廠提出對燃氣中汞含量的要求，這屬于法律對排放規定的范圍，而不是運行中發生的問題。對LNG而言，在上游液化廠，已完全解決了脫汞的問題。
3.3 燃氣輪機
    從國外干式低N0x(DLN)或干式低排放(DLE)預混式燃燒器排放的分布圖來看，都是按照規定的燃氣質量范圍優選過的，如供應燃氣輪機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，就會出現熄火的問題。
    沃泊指數的突然降低會使燃燒室內的溫度也隨之降低；提高燃氣輪機中燃料供應的沃泊指數，溫度也隨之升高，在系統內部產生熱一聲問題。在某些燃氣輪機中設有所供燃氣的熱值和沃泊指數的測量裝置，由綜合控制系統根據所得的測定值控制輪機。
    燃氣組分對燃氣輪機的影響有以下幾個方面：
    (1) 由燃氣/空氣比的變化使火焰失效；
    (2) N0x的排放量與沃泊指數的變化是函數關系；
    (3) N0x的形成與高烴含量等級增高的關系；
    (4) 催化燃燒的效率與惰性氣體種類和高烴含量變化的關系；
    (5) 回火與自燃是燃氣組分變化產生的后果；
    (6) 對燃燒動力學、振動和噪聲的影響。
    現分述如下：
3.3.1火焰的失效
    火焰的失效即燃燒的不穩定性，常用燃燒的穩定曲線表示，縱坐標為燃氣流動速度，橫坐標為燃料/02的比值(或一次空氣系數)。如出現火焰同縮，回火、離焰和脫火或猝熄等現象就是火焰的失效。對燃氣輪機，燃氣組分發牛快速的變化會導致火焰的失效，或引起燃燒動力特性的變化和噪音的產生，進一步發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性，可參見圖1。
    在一些可再次調整的干式低N0x燃燒室中，可改進排放的性能，雖然燃燒的動力學問題可能增多。圖2表示N0x的排放量變化與沃泊指數的函數關系。
 

3.3.3高烴含量對燃氣輪機的排放效應
   個案研究之三。
   美國國家能源技術實驗室側重在一個模擬的燃氣輪機上做了基礎研究。研究天然氣中高烴含量對N0x排放的影響。得出的結論可見圖3和圖4。圖3表示火焰溫度對N0x排放量的影響，圖4表示當量比擊對火焰溫度的影響。由圖3可知，對天然氣而言，當火焰絕熱溫度為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。不同燃氣參數之間的相關關系可見圖5。
 

    上述研究結果所示的N0x與沃泊指數WI之間的關系與已公布的其他研究結果不同，數據也與其他研究不成比例。顯然，進行更多的研究是必要的。值得指出的是：上述的試驗結果來自一個模擬的燃氣輪機，不完全等同于實際的燃氣輪機，這可能是試驗結果有所不同的原因。
    稀釋LNG對達到等值的發電量有很大的影響。實際上，若稀釋量達到4%～5%，則燃燒室中火焰的溫度可降低，從而可得到相同的發電量(質量流量的關系)。這與其他的試驗觀察結果相一致。對微型燃氣輪機而言，摻入惰性氣體可降低N0x的排放量。英國的觀察結果表明：位于LNG進口終端附近的電廠，若使用再氣化的LNG，N0x的排放量會增加。
3.3.4燃氣輪機的催化燃燒
    在天然氣的燃氣輪機上使用催化燃燒法是一種正在開發的超低N0x排放技術。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，已在小規模的催化燃燒模型中研究燃氣組分變化的影響。用含有高烴的天然氣和惰性氣體來模擬燃氣質量變化的范圍。試驗在一個燃氣輪機的典型運行條件下進行。壓力比為10～20，可覆蓋工業和公用事業中燃氣輪機燃燒室的條件。實驗數據表明：
    (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致降低對催化劑入口溫度的要求(常稱催化劑的入口為“運行窗口”)。
    根據試驗結果，可導出一個催化劑入口溫度與高烴含量和碳原子數的關系式。用這一關系式可計算每一試驗燃氣所要求的窗口溫度。在美國，對多數燃氣算出的催化劑窗口溫度均低于20%，這一溫度在催化燃燒室的允許范圍之內。在催化燃燒系統中，燃氣溫度高于此值時也可應用，但催化劑的入口溫度應降低，以保持燃燒室的耐久性。
    研究結果認為：催化燃燒系統有能力適應組分范圍較寬的天然氣。對多數燃氣而言，其多樣性不會影響到燃燒室的耐久性。
 

3.3.5 N0x的形成(燃氣輪機排氣中的“縷”狀煙氣)
    無后燃燒排放控制的燃氣輪機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。
    這一現象常發生于升溫階段，只有部分負荷在運轉，且與基本負荷相比燃燒效率降低時。但也有例外，即在基本負荷時也出現過縷狀的褐色煙氣。
    為能觀察到縷煙，N02的含量等級應大于50×10-6(即，N02的濃度乘以縷煙的直徑-假設等于煙道的直徑)。N0轉換成N02的機理也包括由高烴形成的過氧基；在某些條件下，轉換率可超50%。應指出的是，N0轉換成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系統是一種用氨和活性催化劑將N0x轉換成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燃氣輪機燃燒器的不穩定性(回火與白燃)
    在干式低排放和干式低N0x燃燒室中采用預混式燃燒器時，對回火與自燃特別敏感。兩者均由燃氣組分變化所引起，并受高烴含量和當量比Φ的變化影響。
    (1) 回火
    當火焰速度增加，且通過燃燒室內流量不能平衡所發生的變化時(即流動速度小于火焰速度時)，火焰會向引射器回傳，導致燃氣噴嘴和引入空氣的分配系統損傷。即使微小的損傷對系統也會造成影響，使全部燃燒系統遭到破壞(如不及時發現，會釀成大錯)。
    回火還將產生燃燒的震動和破壞燃氣輪機的空氣渦流組件。
    (2) 自燃
    如燃氣被引入預熱的空氣流，雖無點火源，當溫度高達一定程度時也會形成燃燒過程。高烴類燃氣的自燃溫度比甲烷低，甚易造成熱失控。即使兩種燃氣的沃泊指數相同，但高烴含量高的燃氣會顯示不同程度的自燃特性，而惰性物質的存在卻無太大的影響。
    自燃需要一定的燃燒反應時間，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。這一概念可使燃氣輪機的設計工程師們確定預混系統的時間范圍(停留時間)。
    至今難以預測燃氣組分對自燃問題的影響，因為在燃氣輪機運行條件下積累的有效數據還很少。燃氣輪機有可能得到典型混合燃氣的自燃延遲時間只有幾十個(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，但燃氣組分變化是否能延遲自燃還難以確定。
3.3.7動力學、振動和噪聲特性
    燃氣組分的變化可造成燃燒的振動，并轉化為噪音和壓力脈沖兼備的機械振動，危及燃氣輪機整體的機械結構，增大疲勞應力和機械零件的潛在失效率，提高修理和重新安裝的成本。
    動力學和燃燒振動也可對燃燒過程提供一個反饋機制。小振會導致大振，增大對燃燒室的影響。燃燒室內的共振會提高過度噪聲的等級。
    至于微型輪機，是一種小型的燃氣輪機，發電功率在25kW～500kW之間，適用于小型工地的發電和熱、電聯產。對已知的燃氣組分，用設定的參數可優化燃料的控制系統。設定參數決定于發動機控制系統軟件中燃料的物理性質。根據天然氣的原始資料，多數微型輪機允許“燃料指標”有10%～15%的編差。設定參數可根據燃氣的相對密度和高熱值算出。
    燃氣質量變化的效應可歸結如下：
    (1) 排放量：通常指N0x、C0和總烴的排放量與相對于甲烷的重烴增加比例值有關。
    (2) 冷凝物(液)：冷凝液滴的存在會嚴重損傷發動機。以頂級的微型燃氣輪機為例，要求燃氣系統的各點上燃氣的溫度必須高于其露點溫度10℃。
    燃氣輪機的制造商不主張公開發布燃氣質量與燃氣輪機運行中的問題。燃氣輪機合同燃料的規定是通過協商，性能保證是根據所提供的燃氣質量來實現。通用電力公司(GE)引用的修正沃泊指數(MWI)為5%，并宣稱如超過5%則必須重新分析和批準所有的條件。
    在輪機的燃料規定中，烴露點是一個非常重要的參數。增大沃泊指數通常也提高了形成液烴微滴的露點。英國典型管道燃氣的露點為-21℃和3MPa。如適當提高烴含量的等級，露點值就會增高到16℃。對燃氣輪機燃料的引入系統，必須保持氣相條件，任何液體燃料的液滴一旦進入系統就會影響到硬件和熱負荷。為此，許多燃氣輪機均有燃料供應的加熱器，防止發生露點問題，且使用修正的沃泊指數比沃泊指數更好。
    通用電力公司聲明：其輪機所用的氣體燃料組分發生變化，必須安裝某些監控儀表，如氣相色譜儀等。燃氣中的痕量物質會嚴重影響輪機的性能，如痕量金屬會損壞輪機的葉輪。
    修正的沃泊指數的數學表達式如下：
   
式中：LHV—燃氣的低熱值MJ/m3；
      SGg—燃氣的相對密度；
      Tg—燃氣的絕對溫度K；
      MWg—燃氣的分子重量；
      28.96—干空氣的分子重量。
3.4 發動機
    燃氣質量和互換性對燃氣發動機的影響包括燃氣的組分及其附加的燃燒特性。最新一代發動機增加了自適應的發動機控制系統后，允許烴組分有較大的變化。一些老一代的發動機若使用低抗爆性的燃氣，不論使用時間的長短，均會發生嚴重的破壞作用。
    燃氣質量對系統的整體性、發動機的性能和排放量的影響可用不同的標準來說明。
3.4.1系統的整體性
IS0 15403(天然氣作為汽車壓縮燃料使用的質量規定)中，對天然氣作為公路運輸燃料使用時的某些性質設定了限值，涉及燃氣組分的內容如表4。
表4 對汽車發動機使用的燃氣規定
水含量
＜0.03g/m3
在可能發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發動機的性能
    火花點火發動機的性能和排放量決定于良好的點火、優化的燃燒能力、合適的抗爆性和控制燃料-空氣混合物中的能含量。
    燃料的性質關系到發動機的性能，包括空氣-燃料比、燃氣的組分(沃泊指數與甲烷數)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氣燃燒化學計量空氣量之比)
    ——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氣組分的變化。
    ——發動機效率的最高值相當于空/燃比的范圍為1.05～1.10(即一次空氣系數α=1.05-1.10)，這也是N0x產出量最高的范圍。發動機應在稍高的富氣條件下(α=0.9)運作，以便得到最大的啟動力矩。
    ——在火花點火的發動機中，點著能力與空/燃比有很大的關系。在α=0.9～1.5的范圍內，天然氣的點火不會發生問題。
    ——空/燃比的變化也影響到燃燒速度。如空/燃比大于化學計量值(即α=＞1)，就會延長整體的燃燒過程。這說明，如發動機的點火時間是按化學計量比設定的，則對α＞1的這種貧混合氣的點火時間應提前。
    ——如增加N2或C02這類惰性氣體的含量，燃燒能力便降低，并再次需要提前點火。用渦輪增壓的方法可補償這一效應。
    (2) 燃氣的組分和沃泊指數
——燃氣組分對發動機工況的影響宜用沃泊指數和甲烷數兩個特性數值表示。
——如沃泊指數為常數，則燃氣組分變化對空/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。
——燃氣的沃泊數會影響到發動機的出力，使汽車的功率降低；例如，在燃氣中N2含量增加時。
燃氣組分對天然氣汽車性能的影響與天然氣汽車工業有關。最初由汽油車改裝的天然氣車均設有復雜的“關閉回路”控制系統。它能調節反映燃氣組分變化的空/燃比。
    對大型車，如拖車和大巴，則要轉換高壓縮性的柴油發動機，對燃氣組分的變化就要求更高。這類車通常均在高效下運行，接近于燃料的“爆炸極限”。燃氣組分的變化(如增加烴含量)會引起潛在的“爆震聲”，說明發動機汽缸內的點火不正確，長期如此就會損壞發動機。
    (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。發動機設計成有高的壓縮比，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，如發動機沒有保護就會遭到嚴重的損傷。
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，燃氣的組分變化后，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生的未燃烴是因貧混合氣體中空氣量的增加導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氣組分的分類和排出廢催化劑的活性，導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，燃氣組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的變化。具有合理的綜合發動機控制系統(硬件和軟件)時，可以適應沃泊指數的適量變化，對排放量也只有少量的影響。但這種情況只有在發動機的運行接近于化學計量比，排氣道中放置可排除3種污染物的催化劑，且排氣道中還設有02敏感元件的角環反饋控制裝置時才能實現。
    催化式排氣凈化器或催化劑常置于汽車發動機和排氣道之間，它是一個蜂窩結構的陶瓷體，上面覆有催化劑。催化劑通常為鉑、銠和鈀。蜂窩結構的設計是利用其具有單位體積的最大表面積原理。
    汽油發動機(火花點火式)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轉化成N2和02(基本反應是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動機能按化學計量比運行。用一個O2敏感元件放置在催化劑的下游方(離開發動機)，敏感元件向電控組件提供信號，調節進入汽缸的燃料量。
    柴油發動機被設計成可用貧氣操作，可使用比化學計量比更多的空氣，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。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。
    所用的催化劑應根據天然氣的組分變化進行修正。催化劑對高烴含量的作用遠大于甲烷和乙烷。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換。三元減排催化劑的運行區可見圖7。
 

個案研究四：北美用丙烷-空氣調峰產生的影響在北美的一些地區，在配氣系統中加有丙烷-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峰設施滿足冬季天然氣供應不足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。在氣庫的服務站中常有冷凝物排出；在加氣站中，氣庫的壓降會使濃度進一度增加。這種情況下，對燃氣的質幾乎不可能作適當的控制。
    主要的問題發生在汽車的汽缸內壓縮天然氣中含有高等級的丙烷氣。在低溫和瓶內壓力大于5.5MPa時，丙烷將從氣相中析出，形成液體，在發動機運行時這些液體也無法排除。如果繼續使用這一燃氣，只有降低壓力才能使丙烷再次氣化，但丙烷在燃氣混合物中的含量已完全不同于對最初壓縮天然氣的要求，這就產生了許多控制和可靠性的問題。
    這一個案說明，原來以丙烷-空氣混合物調峰的系統，一旦隨著科技的發展，用戶的擴大，需要作為交通輸配的燃料時就會發生問題，這在1999年10月美國加州能源委員會《壓縮天然氣加氣系統評估》報告中已有說明。一種建議是改用液化天然氣作為調峰手段，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
    燃氣質量對玻璃工藝和金屬預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，這些均會影響到產品的質量。
    對金屬預熱工藝而言，燃燒產物中的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，一些問題也與燃氣溫度有關：有色玻璃產品的質量取決于爐窯中的空氣條件。如爐窯內部含氧的等級或火焰的溫度有變化，色澤的質量就會降低。對韌化安全玻璃的切割和拋光要求燃燒器在接近化學計量比的條件下運行，沃泊指數的任何變化均會影響到火焰的溫度和排放量。
    玻璃工業所含的范圍很廣，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、科學和醫用玻璃等)和玻璃纖維(絕緣用、紡織用、材料加強用和光導纖維等)等，對燃氣的質量各有需求，應認真研究。
3.6 化學工業-甲烷的蒸汽改質或重整
    在化學工業中，天然氣既可作為燃料也可作為原料。蒸汽改質工藝用于從烴類生產H2。H2在工業上用途很廣，其中的一個重要用途是生產合成氨，是農用化肥中氮、磷和尿素的基礎。
    制H2廠的運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)對甲烷的蒸汽重整工藝而言，由于C的沉積，可導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行條件。一種預重整的工藝可幫助去除不希望含有的雜質，改善轉換反應催化劑的壽命，并使所供的原料有一定的適應范圍。
    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。因為重烴可降低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到要求，并可改善工廠的能源平衡。
4 結論與認識
    (1) 燃氣的應用范圍擴大后，國際上傳統民用與商業用氣在總量中所占的比重逐漸減少，其他工業用戶如發電等的比重逐步增加，尤其是發達國家更為明顯。為應對氣候變化，減少溫室氣體的排放量，優化能源結構是必然的趨勢。進口LNG、發展非常規天然氣和生物質氣與現用管道天然氣的互補性必然會促使氣質發生變化。過去以本生火焰為基礎研究制定民用燃具為主的燃氣互換性方法顯然已不適應當今世界燃氣工業發展形勢的要求，研究工作必須從當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問題。共同參數要從不同應用方式的燃燒裝置中提煉出來，形成統一的完善理論，并以足可指導運行實踐為目的。應把保證燃燒裝置的高效和低排放放在第一位，再旁及必要的有關燃燒安全的參數。
    (3) 當今研究成果的代表性思路是參照了過去關于互換性的研究成果。分析結果表明，仍以沃泊指數為主要參數，增加了修正的沃泊指數和甲烷數等要求，加上其他的安全參數，成為當今液化天然氣質量與互換性研究的基礎，在這一基礎上才有可能形成后續的互換性方法和質量管理的實踐等。
    (4) 圍繞節能減排的要求，各種應用實踐的本身在不斷的發展且日新月異，是燃氣工業科技創新的重要部分。因此必須不斷的總結經驗，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，其應用應通過運行、使用者的認識來判斷。從本文可以認識到，必須認真做許多實驗研究，研究中必須高標準、嚴要求，取得第一性認識。
    (5) 從當今各國的發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，這是過去認為可互換的燃氣不能適應當今要求的一個例子。
    (6) 在民用燃具中有所謂適應性的問題。當燃氣使用于各類工業用戶后，要密切關注工業控制系統的技術發展。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技術，也就是以控制技術來擴大互換范圍的一種思路。大量資料表明，天然氣的節能、減排效果不能無端產生，還得有先進的應用技術來保證，燃氣質量的穩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計研究總院 300074)