CN104164267B - 一种液化天然气掺混空气补足沼气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液化天然气掺混空气补足沼气的方法，包括：发酵罐产出的沼气经脱水、脱硫、除杂后储存于湿式储气罐中，当液位探测器监测到湿式储气罐内燃气体积小于等于总容积的30％时，将监测到的信号反馈给混合器控制盘，开启电磁阀，LNG钢瓶组内液化天然气经气化器气化后进入过滤器中分离成气相天然气和液相天然气，气相天然气调压后进入引射混合器内与空气掺混，补足沼气供应。本发明方法可使沼气全年稳定、可持续性的供应，实现农村清洁能源的规范化、标准化供应。

Description

一种液化天然气掺混空气补足沼气的方法

技术领域

本发明涉及一种液化天然气掺混空气补足沼气的方法，属于新能源技术领域。

背景技术

在西气东输工程竣工投入运行后，中国燃气行业进入了一个飞速发展的阶段，天然气消费量持续增长，承担天然气运输、配送重任的天然气管网建设处于高位运行中，燃气普及率逐年提高。但是在远离气源地的偏远地区，农民并未享受到这一清洁能源所带来的便利。由于管道建设难度大、资金回收期长，农户仍在使用以煤炭、秸秆等为主的污染性燃料，与国家“节能减排”的号召相违背。

为了向远离燃气输配管网的农户供应清洁、方便的气体燃料，国家颁布了一系列政策支持、推广农村生物质能源利用技术。其中沼气供应技术既能有效处理养殖业和农作物剩余物燃烧产生的污染问题，又能给农户提供清洁能源，是最有希望实现产业化的一种。近些年在国家的大力支持下，中小型沼气集中供应工程有了较快的发展，成为了沼气新的发展方向。其标准体系初步建立，工艺技术日趋成熟，配套设备已达到或接近国际先进水平，国内已经研究开发了多种适合不同地区、不同物料、不同规模的发酵工艺，并建成多座示范工程。但是即使经过了十多年的投产运行，沼气工程并没有得到很好地推广应用，最主要的原因便是生产与应用的不平衡，制约了农村沼气集中供应的发展。

目前我国农村集中沼气供应系统的发酵原料大致分为三类：富氮原料(禽畜粪便)、富碳原料(农作物秸秆)、常规混合原料(粪便与秸秆1:1配比混合)。经实验验证，以常规混合原料作为发酵原料时厌氧消化最优温度在30℃以上，以富碳原料作为单一发酵原料时厌氧消化最优温度在32℃以上，以富氮原料作为单一发酵原料时厌氧消化最优温度在52℃以上。沼气池温度在15℃以上，才能保证此三类发酵原料正常产气，并且不同发酵原料产气率随温度降低而明显降低。从上述数据可知，中国大部分地区冬季温度都无法达到发酵原料产气温度下限致使冬季产气量急剧减少甚至停止产气，但冬季是沼气需求量的高峰期，此供需不平衡的严峻形势导致沼气集中供应工程效益低下。为此提出了加设内置加热盘管和外保温设施以提高发酵温度的解决方法，但这就意味着建造成本和运行费用增加，从经济角度而言并不一定为农户所接受。

随着村镇农民生活水平的不断提高，农村炊事、生活热水甚至室内采暖等生活指标将逐步接近城市居民水平，因此沼气工程供应量达到需求量后才能在村镇地区推广应用。如何利用现有中小型沼气工程，确保实现全年正常稳定的集中供气，是农村沼气开发利用的瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有农村中小型沼气工程因冬季气温降低，沼气产量减少、无法按需供应的不足，提供一种液化天然气掺混空气补足沼气的方法，本方法以常规能源掺混空气，与沼气在满足互换性的条件下，将混合气以任意比例与沼气混合供应居民使用。本发明可使沼气全年稳定、可持续性的供应，实现农村清洁能源的规范化、标准化供应。

本发明提供一种液化天然气掺混空气补足沼气的方法，包括：

1)发酵罐产出的沼气经脱水、脱硫装置脱水、脱硫后，进入过滤器中去除杂质，除杂后的沼气通过沼气管路上打开的第二单向阀储存于湿式储气罐中，液位探测器监测湿式储气罐的液位值，液位值通过液位计显示，湿式储气罐由下部的水槽和上部套筒型塔节组成，塔节随储气量的改变而升降。湿式储气罐内的沼气压力恒定为5000Pa，当湿式储气罐内燃气量多时，塔节就上升，当燃气量少时，塔节就下降。所以根据液位值能够判断湿式储气罐内燃气的体积，液位探测器将监测到的液位值信号反馈给混合器控制盘，混合器控制盘控制气化天然气管路上电磁阀的开闭；

当液位探测器检测到湿式储气罐内燃气体积小于等于总容积的30％时，液位探测器将监测到的液位值信号反馈给混合器控制盘，开启气化天然气管路上的电磁阀；

2)电磁阀开启后，LNG钢瓶组内液化天然气经气化器气化后进入过滤器中分离成气相天然气和液相天然气，气相天然气通过开启的电磁阀进入第一调压器调压后，进入引射混合器内，待掺混；

3)由于压力较高的气相天然气进入到引射混合器中,在引射混合器的喷嘴处形成低压区，空气在第一单向阀两侧的大气压和喷嘴处低压区形成的压力差作用下，从空气进口管进入，经过滤器除去其中的杂质和水分，通过空气管路上开启的第一单向阀，输送至引射混合器内与气相天然气掺混，得到混合气，第一单单向阀的作用是防止操作不当使得引射器混合器内的气相天然气通过空气管路泄漏到大气环境中；

4)压力变送器监测引射混合器出口处混合气的压力，热值仪监测混合气燃烧测得的实际热值，压力变送器和热值仪将所监测的信号反馈至混合器控制盘，当混合气的高热值为19.97MJ/m³-22.05MJ/m³时，混合气进入湿式储气罐中，与湿式储气罐中的沼气任意比例混合作为气源，补足沼气供应，输入管网中，经第二调压器调压后，供用户使用；

随着掺混工作的进行，湿式储气罐内燃气体积不断增大，液位逐渐上升，直至燃气体积大于等于湿式储气罐容积的90％时，液位探测器将监测到的液位值信号传递给混合器控制盘，关闭气化天然气管路上的电磁阀，此时气化天然气管路和引射混合器内无气流通过，引射混合器内负压不足，空气管路上的第一单向阀关闭，空气不能进入引射混合器中，掺混终止，湿式储气罐内的燃气单独作为气源，输入管网中，经第二调压器调压后，供用户使用。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，在2)中，所述第一调压器调压为调压至0.4MPa。

进一步，在4)中，所述第二调压器调压为调压至2200-3000Pa。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种液化天然气掺混空气补足沼气的方法，以厌氧发酵处理得到的沼气为主气源，将另外一种常规能源(LNG)以引射方式掺混空气后作为补充气源，具有相当于6T天然气的高热值。本发明通过华白数和燃烧势计算确定液化天然气(LNG)与空气的掺混比例、满足与沼气的互换性，掺混后的燃气再与沼气以任意比例混合，加至管网系统实现沼气全年持续稳定的供应。

本发明弥补了天然气管网未到达地区的农村冬季沼气无法足量供应的缺陷，可根据沼气的产量不同，以混配燃气补足，保证了燃气常年持续稳定的供应，环保节能。

附图说明

图1为本发明一种液化天然气掺混空气补足沼气的方法的流程图；

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1常规燃气掺混空气与沼气的互换性分析

沼气燃具是以沼气为基准气设计的，而使用另一种组分不同的燃气时其燃烧工况波动在允许的范围内，则称这种燃气对基准气具有互换性。燃气组分的波动必须要满足互换性的要求，我国采用华白数和燃烧势的变化范围评判是否满足互换性要求。

1、基准气性质

以《城镇燃气分类和基本特性》GBT13611-2006中的6T燃气代表沼气作为基准气进行互换性分析，且该规范规定了6T燃气的华白数和燃烧势范围，如下表所示：

表16T燃气性质

2、混合气气源成分

表2混合气气源参数

3、确定混气比

以一种燃气置换另一种燃气时，因燃气性质改变，除了引起燃具热负荷改变外，还会引起燃具一次空气系数的改变，如果两种燃气具有相同华白数，

$W=\frac{H}{\sqrt{s}}$

即使其热值和密度均不相同，在互换时也能使燃具保持相同的热负荷和一次空气系数，相应计算公式如下：

式中：W——华白数；

H——燃气高热值(kJ/m³)；

s——燃气相对密度(设空气相对密度为1)。

因此华白数是在互换性问题产生初期所使用的一个互换性判定指数，即

$W_n=\frac{X_L{Q}_L+(1-X_L)Q_B}{\sqrt{X_L{S}_L+(1-X_L)S_B}}$

置换气的华白数变化不超过基准气允许置换范围，两种燃气才具有互换性。由此可知，为保证LNG与空气形成的混合气的华白数处于基准气允许置换范围内，根据以下公式确定LNG与空气混气比范围：

式中：W_n——混合气的华白数(MJ/Nm³)；

X_L——LNG的体积比例；

Q_L——LNG热值(MJ/Nm³)；

S_L——LNG相对密度；

Q_B——空气热值(MJ/Nm³)；

S_B——空气相对密度。

由于空气热值为0，相对密度为1，可简化上述计算式为：

$W_n=\frac{X_L{Q}_L}{\sqrt{X_L{S}_L+(1-X_L)}}$

通过上式结合基准气华白数范围反推算出LNG与空气混气比范围为48:52-53:47。

4、验证混气比

随着燃气置换的进行，会出现燃烧特性差别较大的互换问题，这时单靠华白数就不足以判断两种燃气是否可以互换，需要引入火焰特性这样一个较为复杂的因素验证混气比。燃烧势是一项反映燃气燃烧特性的综合指标，可判定离焰、脱火、回火、黄焰及CO含量倾向性，其计算公式如下：

$C_P=K(1.0H_2+0.6(C_m{H}_n+\mathrm{CO})+0.3{\mathrm{CH}}_4)/\sqrt{s}$

式中：C_P——燃烧势；

K——燃气中氧含量修正系数，K＝1+0.0054O₂ ²；；

O₂——燃气中氧的体积成分；

H₂——燃气中氢的体积成分；

C_mH_n——燃气中除甲烷以外碳氢化合物的体积成分；

CO——燃气中一氧化碳的体积成分；

CH₄——燃气中甲烷的体积成分；

s——燃气相对密度(设空气相对密度为1)。

根据上节确定的LNG与空气的混气比范围得出混合气各组分参数如下表所示：

表3混合气组分参数

将上表各组分参数代入燃烧势计算式中确定LNG及LPG与空气混气参数见下表：

表4混气参数

由上表数据可知，将LNG与空气的混气比控制在48:52-53:47范围内，形成的混合气各项参数均处于基准气允许置换范围内。故在使用沼气为主前提下，混合气能以任何比例掺混至沼气中，作为沼气的补充气源。

实施例2

夏季温度较高时，发酵罐产气率较高，生产的沼气经脱水塔、脱硫器、过滤器净化，在压力作用下第二单向阀开启，沼气进入到湿式储气罐中。液位探测器监测到湿式储气罐中沼气体积大于湿式储气罐容积的90％时，液位信号传送至混合器控制盘，混合器控制盘发出指令使电磁阀处于关闭状态，天然气没有进入到引射混合器内造成负压，第一单向阀自然关闭。湿式储气罐内的沼气单独作为气源，输入管网中，经第二调压器调压至2200-3000Pa后，供用户使用。

实施例3

春、秋季节温度较低，发酵罐产气率较低，湿式储气罐沼气量不足，湿式储气罐内燃气体积小于总容积的30％时，液位探测器将解锁开启信号传送至混合器控制盘，开启气化天然气管路上的电磁阀，LNG钢瓶组内液化天然气经气化器气化后进入过滤器中分离成气相天然气和液相天然气，气相天然气通过开启的电磁阀进入第一调压器调压至0.4MPa后，在压力作用下气相天然气进入到引射混合器，通过超声速喷嘴高速喷出，吸气室内形成负压，引入外界自然空气，空气经过滤器除杂，与气相天然气形成均匀的混合气输出。输出的混合气经压力变送器检测和热值检测是否满足混合要求，当混合气的高热值为19.97MJ/m³-22.05MJ/m³时，混合气进入湿式储气罐中，与湿式储气罐中的沼气任意比例混合作为气源，补足沼气供应，输入管网中，经第二调压器调压至2200-3000Pa后，供用户使用。

随着掺混工作的进行，湿式储气罐内燃气体积不断增大，直至燃气体积增加到湿式储气罐容积的90％时，液位探测器将监测到的液位值信号传递给混合器控制盘，关闭电磁阀，气化天然气管路内无气流通过，引射混合器内负压不足，空气管路上的第一单向阀自动关闭，空气不能进入引射混合器中，掺混终止。

实施例4

冬季气温很低，湿式发酵罐产气率很低甚至不产气，第二单向阀关闭，无沼气进入湿式储气罐中，液位探测器将信号传送至混合器控制盘，开启电磁阀，LNG钢瓶组内液化天然气经气化器气化后进入过滤器中分离成气相天然气和液相天然气，气相天然气通过开启的电磁阀进入第一调压器调压至0.4MPa后，在压力作用下气相天然气进入到引射混合器，通过超声速喷嘴高速喷出，吸气室内形成负压，引入外界自然空气，空气经过滤器除杂，与气相天然形成混合气进入湿式储气罐中，供应居民炊事、热水使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种液化天然气掺混空气补足沼气的方法，其特征在于，包括：

1)发酵罐产出的沼气经脱水、脱硫装置脱水、脱硫后，进入过滤器中去除杂质，除杂后的沼气通过沼气管路上打开的第二单向阀储存于湿式储气罐中，液位探测器监测湿式储气罐的液位值，液位值通过液位计显示，液位探测器将监测到的液位值信号反馈给混合器控制盘，混合器控制盘控制气化天然气管路上电磁阀的开闭；

当液位探测器监测到湿式储气罐内燃气体积小于等于总容积的30％时，液位探测器将监测到的液位值信号反馈给混合器控制盘，开启气化天然气管路上的电磁阀；

2)电磁阀开启后，LNG钢瓶组内液化天然气经气化器气化后进入过滤器中分离成气相天然气和液相天然气，气相天然气通过开启的电磁阀进入第一调压器调压至0.4MPa后进入引射混合器内，待掺混；

3)空气在第一单向阀两侧的压力差作用下，从空气进口管进入，经过滤器除去其中的杂质和水分，通过空气管路上开启的第一单向阀，输送至引射混合器内与气相天然气掺混，得到混合气；

4)压力变送器监测引射混合器出口处混合气的压力，热值仪监测混合气燃烧测得的实际热值，压力变送器和热值仪将所监测的信号反馈至混合器控制盘，当混合气的高热值为19.97MJ/m³-22.05MJ/m³时，混合气进入湿式储气罐中，与湿式储气罐中的沼气任意比例混合作为气源，补足沼气供应，输入管网中，经第二调压器调压至2200-3000Pa后，供用户使用；

随着掺混工作的进行，湿式储气罐内燃气体积大于等于总容积的90％时，液位探测器将监测到的液位值信号传递给混合器控制盘，关闭气化天然气管路上的电磁阀，气化天然气管路内无气流通过，引射混合器内负压不足，空气管路上的第一单向阀关闭，空气不能进入引射混合器中，掺混终止，湿式储气罐内的燃气单独作为气源，输入管网中，经第二调压器调压至2200-3000Pa后，供用户使用。