周宇

六盤水師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院

煤層氣是指儲存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體，是煤的伴生礦產(chǎn)資源，屬非常規(guī)天然氣，是近幾十年在國際上崛起的潔凈、優(yōu)質(zhì)能源和化工原料。目前，全球煤層氣儲量約124.8×1012m3，其中90%分布在12個主要產(chǎn)煤國家，我國的煤層氣儲量約為(30～35)×1012m3，居世界第3位[1-5]。

煤層氣資源的開發(fā)主要分為井下抽采和地面抽采，目前主要以井下抽采方式為主，地面抽采方式為輔[6-14]，地面抽采的煤層氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)達95%左右，而井下抽采的煤層氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)只有10%～30%，屬于低發(fā)熱量煤層氣。因低發(fā)熱量煤層氣中甲烷濃度達不到直接利用的要求，不得不排入大氣中，造成巨大的能源浪費[14]。以2018年為例，全國全年煤層氣抽采量為184×108m3，利用率為55.51%，其中地面煤層氣產(chǎn)量為54×108m3，利用率為90.52%，而井下煤層氣抽采量為130×108m3，利用率為40.91%。2012年至2018年，我國煤層氣產(chǎn)量和利用率如表1所列[15]。合理利用煤層氣，提高這一優(yōu)質(zhì)潔凈新型能源的利用率，把廢氣變?yōu)橛杏玫馁Y源，對于優(yōu)化我國的能源結(jié)構(gòu)、減少溫室氣體排放、減輕大氣污染、從根本上解決煤礦安全問題以及實現(xiàn)我國國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展均具有重大意義。

表1 2012-2018年我國煤層氣產(chǎn)量和利用率年份煤層氣產(chǎn)量/108 m3利用率/%地面抽采量/108 m3地面抽采利用率/%井下抽采量/108 m3井下抽采利用率/%201214141.132774.0711433.33201315642.313076.6712634.13201417045.293786.4913333.83201518047.784486.3613635.29201617949.164584.4413437.31201717852.315088.7312838.20201818455.515490.5213040.91

二甲醚是一種可再生清潔能源，其分子結(jié)構(gòu)式為CH3-O-CH3，可以與多種燃氣摻混使用。二甲醚自帶氧原子，燃燒過程中沒有殘渣和黑煙產(chǎn)生，其作為替代燃料時，煙氣排放會明顯降低。因此，二甲醚以其特有的物理化學(xué)性質(zhì)受到廣泛關(guān)注[16]。本研究通過理論計算的方法，分別利用AGA指數(shù)法和Weaver指數(shù)法對二甲醚摻混煤層氣混合氣體與天然氣及液化石油氣的互換性進行分析，判斷摻混氣體的互換域，為實現(xiàn)煤層氣與二甲醚混合氣體的推廣使用、提高煤層氣的利用率提供理論依據(jù)。此外，考慮到低發(fā)熱量煤層氣利用的可能渠道是并入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)，本研究還對混合氣體并入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)或長輸管網(wǎng)的互換性及其壓縮因子對體積計量的影響進行了分析。

1 燃氣互換性

任何燃具都是按一定的燃氣成分設(shè)計的。當(dāng)燃氣成分發(fā)生變化而導(dǎo)致其發(fā)熱量、密度和燃燒特性發(fā)生變化時，燃具燃燒器的熱負(fù)荷、一次空氣系數(shù)、燃燒穩(wěn)定性、火焰結(jié)構(gòu)、煙氣中一氧化碳含量等燃燒工況就會改變。如果燃燒器可以更換，或者其可調(diào)部分可以重新調(diào)整，那么通過更換或重新調(diào)整燃燒器，可以使燃具適應(yīng)新的燃氣。但在燃氣供應(yīng)系統(tǒng)中，這樣做實際上是很困難的，而且?guī)缀跏遣豢赡艿?。因此，以一種燃氣代替另一種燃氣時，必須考慮互換性問題[17]。

燃氣互換性是指在一種燃氣應(yīng)用中，當(dāng)其運行的安全、效率、性能或增加污染物的排放等方面無實質(zhì)性的變化時，一種燃氣替代另一種燃氣的能力。目前，我國用于預(yù)測燃氣互換性的方法主要以指數(shù)法為主，包括AGA指數(shù)法和Weaver指數(shù)法[18]。AGA指數(shù)法包括離焰IL、回火IF和黃焰IY3個互換指數(shù)，由美國燃氣協(xié)會(AGA)于1946年提出，并于20世紀(jì)80年代由美國燃氣研究院(GRI)對其再次審定和修正；Weaver指數(shù)法包括熱負(fù)荷因數(shù)JH、空氣引射量JA、回火JF、離焰JL、CO排放JI和黃焰JY6個判定指數(shù)，于1951年Elmer R.Weaver結(jié)合AGA的研究方法和結(jié)果，在此基礎(chǔ)上通過大量的實驗研究提出。各項指數(shù)的計算方法以及通過實驗結(jié)果和計算結(jié)果對比歸納的互換范圍如表2所列。

表2 AGA指數(shù)法與Weaver指數(shù)法AGA指數(shù)法Weaver指數(shù)法互換指數(shù)計算公式互換范圍互換指數(shù)計算公式互換范圍ILIL=KafaAsfsAa(Ks-logfafs)<1.0JHJH=WsWa0.95～1.05JAJA=V0sdaV0ads0.80～1.20IFIF=KsfsKafaHs39 940<1.18JFJF=SfsSfa-1.4V0sdaV0ads+0.4<0.08JLJL=SfsV0sda(100-O2s)SfaV0ads(100-O2a)>0.64IYIY=fsAaYafaAsYs>1.0JIJI=V0sdaV0ads-0.366RsRa-0.634<0JYJY=V0sdaV0ads+Ns-Na110-1<0.14 注:K為離焰極限常數(shù);f為一次空氣因數(shù);A為氣體燃料完全燃燒每釋放105 kJ熱量所消耗的理論空氣量,m3/kJ;H為燃氣高發(fā)熱量,kJ/m3;Y為黃焰極限常數(shù);W為沃泊指數(shù),kJ/m3;V0為理論空氣量,m3/m3;d為相對密度;O2為燃氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù),%;Sf為火焰速度指數(shù);N為每100個燃氣分子中燃燒時容易析出的碳原子數(shù);R為燃氣中氫原子數(shù)與碳氫化合物中碳原子數(shù)的比值,下標(biāo)a和s分別代表基準(zhǔn)氣和置換氣。式中所有體積均為標(biāo)準(zhǔn)狀況(0 ℃、101.325 kPa)下的體積。

2 燃氣燃燒互換性

2.1 低發(fā)熱量煤層氣、天然氣及液化石油氣成分

貴州省煤層氣資源總量為3.15×1012m3，約占全國的10%，居全國第二，僅次于山西。貴州省煤層氣資源主要分布于六盤水煤田、織納煤田、黔北煤田，占全省煤層氣資源量的92.8%。選取六盤水、盤州、興義3個地區(qū)的代表性煤礦，分別對礦區(qū)井下抽取煤層氣的成分進行調(diào)研，結(jié)果如表3所列。從氣體中甲烷含量可以判斷，上述地區(qū)井下抽取的煤層氣均屬于低發(fā)熱量煤層氣。

表3 貴州省盤州、六盤水、興義地區(qū)某礦區(qū)煤層氣成分φ/%成分盤州某礦區(qū)六盤水某礦區(qū)興義某礦區(qū)CH420.0025.0030.00N263.0061.5053.76CO210.502.2011.24C2H62.503.002.00C3H81.501.50C4H101.00CO6.00O20.60其他1.501.701.50

貴州地區(qū)民用天然氣主要由貴陽輸氣站運輸?shù)礁鱾€地方，根據(jù)氣質(zhì)分析報告，天然氣組成列于表4，液化石油氣組成列于表5。

表4 貴州地區(qū)天然氣組成%成分體積分?jǐn)?shù)成分體積分?jǐn)?shù)CH496.798 2N20.807 5C2H60.937 4CO21.257 5C3H80.131 3i-C4H100.017 2n-C4H100.023 3C5+0.027 1

表5 貴州地區(qū)液化石油氣組成%成分體積分?jǐn)?shù)成分體積分?jǐn)?shù)CH410C5H1210C2H65C2H43C3H816C3H68C4H1043C4H85

2.2 互換性計算結(jié)果及討論

2.2.1AGA指數(shù)

圖1(a)～圖1(c)所示分別為以天然氣為基準(zhǔn)氣條件下，盤州、六盤水、興義3個地區(qū)低發(fā)熱量煤層氣、二甲醚混合氣體的AGA互換預(yù)測結(jié)果隨二甲醚摻混比例的變化情況。離焰指數(shù)IL和黃焰指數(shù)IY均隨著二甲醚摻混比例的增加而下降。就離焰指數(shù)IL而言，隨著二甲醚摻混比例的增加，互換性預(yù)測結(jié)果由不能互換到完全互換，其轉(zhuǎn)折點為80%；而對于黃焰指數(shù)IY，隨著二甲醚摻混比例的增加，互換性預(yù)測結(jié)果由完全互換到勉強互換，其轉(zhuǎn)折點分別為80%(六盤水、興義)和82%(盤州)；回火指數(shù)IF隨著二甲醚摻混比例的增加而上升，且在整個考慮的摻混比例范圍內(nèi)的互換性判定結(jié)果均為不能互換。

二甲醚的摻混可以降低低發(fā)熱量煤層氣、二甲醚混合氣體與天然氣互換時的離焰傾向，但是會增加產(chǎn)生黃焰的可能性，且低發(fā)熱量煤層氣中甲烷含量越低，產(chǎn)生黃焰的可能性越大。低發(fā)熱量煤層氣與天然氣互換時本身就會出現(xiàn)回火傾向，當(dāng)摻入二甲醚后，回火傾向并不能得到改善。因此，根據(jù)AGA互換性預(yù)測結(jié)果，低發(fā)熱量煤層氣中二甲醚摻混比例宜控制為80%，但需要采取防止回火的措施，如適當(dāng)減小火孔直徑。

圖2(a)～圖2(c)所示分別為以液化石油氣為基準(zhǔn)氣條件下，盤州、六盤水、興義3個地區(qū)低發(fā)熱量煤層氣、二甲醚混合氣體的AGA互換預(yù)測結(jié)果隨二甲醚摻混比例的變化情況。

從圖2中可以看出，AGA各項互換指數(shù)隨二甲醚摻混比例的變化規(guī)律與天然氣為基準(zhǔn)氣時一致，二甲醚的摻混可以降低低發(fā)熱量煤層氣、二甲醚混合氣體與液化石油氣互換時的離焰傾向，但是會增加產(chǎn)生黃焰和回火的傾向。不同的是在整個考慮的摻混比例范圍內(nèi)，離焰指數(shù)IL和回火指數(shù)IF的互換性預(yù)測結(jié)果均為不能互換，而黃焰指數(shù)IY的互換性預(yù)測結(jié)果為完全互換。根據(jù)AGA互換性預(yù)測結(jié)果，不建議使用低發(fā)熱量煤層氣、二甲醚摻混氣體與液化石油氣進行互換。

2.2.2Weaver指數(shù)

圖3(a)～圖3(c)所示分別為以天然氣為基準(zhǔn)氣條件下，盤州、六盤水、興義3個地區(qū)低發(fā)熱量煤層氣、二甲醚混合氣體的Weaver互換預(yù)測結(jié)果隨二甲醚摻混比例的變化情況。除了回火指數(shù)JF，其余各項指數(shù)均隨著二甲醚摻混比例的增加而上升。

從圖3可以看出，隨著二甲醚摻混比例的增加，熱負(fù)荷因數(shù)JH、空氣引射量JA、離焰指數(shù)JL的互換性預(yù)測結(jié)果均由不能互換到完全互換，其轉(zhuǎn)折點分別為82%、80%、60%。在整個考慮的摻混比例范圍內(nèi)不完全燃燒指數(shù)JI和黃焰指數(shù)JY的互換性預(yù)測結(jié)果均為可以完全互換，回火指數(shù)JF則為不能互換。

二甲醚的摻混可以降低低發(fā)熱量煤層氣、二甲醚混合氣體與天然氣互換時的離焰傾向，增加熱負(fù)荷及空氣引射能力，同時也能輕微地緩解回火現(xiàn)象，但在一定程度上增加了互換時不完全燃燒及黃焰現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此，與AGA互換性預(yù)測結(jié)果一樣，根據(jù)Weaver互換性預(yù)測結(jié)果，低發(fā)熱量煤層氣中二甲醚摻混比例宜控制為80%，但需要采取防止回火的措施，如適當(dāng)減小火孔直徑。

圖4(a)～圖4(c)所示分別為以液化石油氣為基準(zhǔn)氣條件下，盤州、六盤水、興義3個地區(qū)低發(fā)熱量煤層氣、二甲醚混合氣體的Weaver互換預(yù)測結(jié)果隨二甲醚摻混比例的變化情況。與天然氣為基準(zhǔn)氣時一樣，除了回火指數(shù)JF，其余各項指數(shù)均隨著二甲醚摻混比例的增加而上升，只是變化幅度明顯降低。

在整個考慮的摻混比例范圍內(nèi)，除了不完全燃燒指數(shù)JI和黃焰指數(shù)JY的互換性預(yù)測結(jié)果為可以完全互換外，其余指數(shù)的互換性預(yù)測結(jié)果均為不能互換。因此可以得出相同的結(jié)論，即不建議使用低發(fā)熱量煤層氣、二甲醚摻混氣體與液化石油氣進行互換。

2.2.3AGA與Weaver指數(shù)法的對比分析

根據(jù)上述有關(guān)AGA和Weaver指數(shù)法對低發(fā)熱量煤層氣、二甲醚混合氣體與天然氣或液化石油氣的互換性預(yù)測結(jié)果可以看出，兩種指數(shù)法在互換性的預(yù)測上呈現(xiàn)出一致性。以天然氣為基準(zhǔn)氣時，用兩種指數(shù)法的預(yù)測結(jié)果均可得出同一種結(jié)論，即低發(fā)熱量煤層氣中二甲醚摻混比例宜控制為80%，但需要采取防止回火的措施；而以液化石油氣為基準(zhǔn)氣時，同名指數(shù)的互換性預(yù)測結(jié)果保持一致，最終也可得出相同的結(jié)論。

綜上可以考慮，在低發(fā)熱量煤層氣中摻混二甲醚以提高其利用效率，與天然氣進行互換時二甲醚摻混比例宜控制為80%，但不建議該摻混氣體與液化石油氣互換。

3 并入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)或長輸管網(wǎng)的互換性評價

低發(fā)熱量煤層氣利用的可能渠道是并入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)。目前，城市管網(wǎng)及長輸管網(wǎng)均是按照輸送天然氣的標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計建造的，如果將低發(fā)熱量煤層氣及其混合氣體并入現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)或長輸管網(wǎng)，就需要考慮進入長輸管網(wǎng)的天然氣互換性。根據(jù)GB/Z 33440-2016《進入長輸管網(wǎng)天然氣互換性一般要求》，代替氣源或混輸氣源與現(xiàn)有氣源的互換性的主要判定參數(shù)是沃泊指數(shù)和相對密度，其允許變化范圍分別為42.34～53.81 MJ/m3、0.55～0.77 MJ/m3。參照GB/T 11062-2014《天然氣 發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計算方法》，對低發(fā)熱量煤層氣/二甲醚混合氣體的沃泊指數(shù)和相對密度進行計算，結(jié)果列于表6。

表6 低發(fā)熱量煤層氣/二甲醚混合氣體的沃泊指數(shù)和相對密度(101.325 kPa,20 ℃)二甲醚摻混比例/%030506070808286沃泊指數(shù)/ (MJ·m-3)15.6528.3335.73 39.18 42.50 45.68 46.31 47.54 相對密度0.901.091.21 1.28 1.34 1.40 1.41 1.44

從表6可以看出，為使混輸氣源能夠滿足長輸管網(wǎng)的互換性要求，低發(fā)熱量煤層氣中二甲醚摻混比例的最低值應(yīng)為70%。因此，要求混合氣體中二甲醚摻混比例必須不小于70%。另一方面，由于煤層氣中含有大量氮氣，且摻混二甲醚，兩者相對密度分別為1.25和1.97。因此，無論是純低發(fā)熱量煤層氣，還是摻混二甲醚后的混合氣體，相對密度都超出了并入長輸管道的互換性要求范圍，為解決相對密度問題，可以考慮將摻混氣體換成相對密度較低的氫氣。

4 摻混氣體的壓縮因子

正式利用低發(fā)熱量煤層氣前，還應(yīng)該考慮輸送和計量問題，并入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)是輸送選項之一，而計量就涉及到壓縮因子或密度的計算問題。綜合燃燒互換性和管網(wǎng)混輸互換性要求，低發(fā)熱量煤層氣中摻混二甲醚的比例宜控制為80%，考慮到天然氣供氣管網(wǎng)中壓力一般為0.2～0.3 MPa，介質(zhì)溫度一般為-10～40 ℃，參照GB/T 11062-2014，對80%二甲醚摻混比例下低發(fā)熱量煤層氣和二甲醚混合氣體的壓縮因子進行計算。AGA8-92DC方程是ISO 12213-2:2006《天然氣壓縮因子的計算用物性值進行計算》推薦的一個計算工作狀態(tài)下天然氣壓縮因子精度較高的方程[19]，如式(1)所示。由于該方程計算過程比較復(fù)雜，本研究采用美國加利福尼亞天然氣協(xié)會(CNGA)公式，如式(2)所示。根據(jù)文獻計算結(jié)果對比可知，通過CNGA公式計算的壓縮因子與AGA8-92DC公式計算的結(jié)果誤差均小于±1%[20]，壓縮因子計算結(jié)果列于表7。

AGA8-92DC方程：

(1)

CNGA公式：

(2)

式中：p為壓強，MPa；T為溫度，K；Δ取氣體相對密度。

表7 壓縮因子計算數(shù)值表壓力/MPa263 K273 K283 K293 K303 K313 K0.210.843 0010.860 9820.876 6490.890 3090.902 2320.912 6530.220.836 7460.855 3200.871 5300.885 6830.898 0510.908 8730.230.830 5820.849 7320.866 4700.881 1040.893 9080.905 1240.240.824 5090.844 2160.861 4690.876 5730.889 8040.901 4050.250.818 5240.838 7720.856 5250.872 0880.885 7370.897 7170.260.812 6250.833 3970.851 6370.867 6490.881 7070.894 0600.270.806 8100.828 0910.846 8050.863 2540.877 7140.890 4310.280.801 0790.822 8520.842 0280.858 9040.873 7560.886 8320.290.795 4280.817 6790.837 3040.854 5980.869 8350.883 2630.300.789 8560.812 5700.832 6330.850 3350.865 9480.879 721

采用同樣的方法計算出標(biāo)準(zhǔn)狀況下(101.325 kPa，20 ℃)時的壓縮因子Zn=0.944 582。通過表7的數(shù)據(jù)看出：當(dāng)介質(zhì)壓力為0.2 MPa、溫度為40 ℃時,壓縮因子對流量計量的影響最小(Zn/Z=0.944 582/0.912 653=1.034 985)；當(dāng)介質(zhì)壓力為0.3 MPa,溫度為-10 ℃時,壓縮因子對流量計量的影響最大(Zn/Z=0.944 582/0.789 856=1.195 892)。

5 結(jié)論

(1) AGA和Weaver兩種指數(shù)法在互換性的預(yù)測上呈現(xiàn)出一致性。

(2) 低發(fā)熱量煤層氣中摻混二甲醚可以改善離焰現(xiàn)象，增加熱負(fù)荷及空氣引射能力，但是增加了黃焰、回火和不完全燃燒傾向。

(3) 可以考慮在低發(fā)熱量煤層氣中摻混二甲醚以提高其利用效率，與天然氣進行互換時二甲醚摻混比例宜控制為80%，但不建議該摻混氣體與液化石油氣互換。

(4) 為使混輸氣源能夠滿足長輸管網(wǎng)的互換性要求，混合氣體中二甲醚摻混比例必須大于等于70%。然而，無論是純低發(fā)熱量煤層氣，還是摻混二甲醚后的混合氣體，相對密度都超出了并入長輸管道的互換性要求范圍，為解決相對密度問題，可以考慮將摻混氣體換成相對密度較低的氫氣。

(5) 當(dāng)介質(zhì)壓力為0.2 MPa,溫度為40 ℃時,壓縮因子對流量計量的影響最小(Zn/Z=0.944 582/0.912 653=1.034 985)；當(dāng)介質(zhì)壓力為0.3 MPa,溫度為-10 ℃時,壓縮因子對流量計量的影響最大(Zn/Z=0.944 582/0.789 856=1.195 892)。