CN104879220B - 一种向天然气中掺混醇基燃料的预热混合装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种向天然气中掺混醇基燃料的预热混合装置和方法。装置包括燃料管道和加热单元；燃料管道按天然气流向依次包括天然气管道段、收缩段、高速混合段、扩张段、低速混合段和喷嘴，高速混合段近收缩段一端分支设有醇基燃料管道段；加热单元包括设于天然气管道段的第一加热器，设于醇基燃料管道段的第二加热器和设于低速混合段的第三加热器。应用该装置以及建立在该装置基础上的预热混合方法可以将醇基燃料气化后与天然气均匀混合，且能保证在混合过程中不发生凝结，对研究掺混不同比例醇基燃料的混合燃料的燃烧性质具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及能源燃料领域，具体涉及一种向天然气中掺混醇基燃料的预热混合装置和方法。
背景技术
现有的燃机电厂中一般使用单一燃料进行燃烧，如天然气或者燃油。与天然气及油相比，甲醇等醇基燃料在某些方面似乎更是燃气轮机理想的燃料：其可以实现更高的效率，更大的功率输出；在同样的透平进口温度下，醇基燃料的燃烧温度低（由于火焰温度较低），所以其燃烧具有较低的NOX 排放。由于醇基燃料中硫含量非常低，因此基本没有SO2的排放问题。此外，醇基燃料燃烧干净，使得透平部件的清洗次数大大减少，有助于降低维护费用。在天然气中掺混醇基燃料可改善天然气的燃烧效果，可以提高燃烧效率，降低废气污染排放，降低仪器部件维护成本。
常温常压下，天然气为气态，醇基燃料为液态，如何用一种简单易行的装置和方法将两种物理性质差异明显的燃料均匀混合是首先要解决的问题。目前尚未见相关报道。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种向天然气中掺混醇基燃料的预热混合装置，该装置可以将醇基燃料气化后与天然气均匀混合，且能保证在混合过程中不发生凝结。
本发明的另一目的在于提供一种向天然气中掺混醇基燃料的预热混合方法，该方法能保证天然气和醇基燃料在掺混前后均为气体状态，掺混后的燃气组分连续、均匀。
上述目的是通过如下技术方案实现的：
一种向天然气中掺混醇基燃料的预热混合装置，包括燃料管道和加热单元；燃料管道按天然气流向依次包括天然气管道段、收缩段、高速混合段、扩张段、低速混合段和喷嘴，高速混合段近收缩段一端分支设有醇基燃料管道段；加热单元包括设于天然气管道段的第一加热器，设于醇基燃料管道段的第二加热器和设于低速混合段的第三加热器。其中，天然气管道段进口端连接天然气供气系统，醇基燃料管道段进口端连接醇基燃料供气系统。
进一步地，该装置还包括控制单元、温度测定单元和压力测定单元，温度测定单元包括设于天然气管道段上位于第一加热器与收缩段之间的第一温度计，设于醇基燃料管道段上位于第二加热器与高速混合段之间的第二温度计，设于低速混合段近扩张段一端的第三温度计和设于低速混合段末端的第四温度计；压力测定单元包括设于低速混合段近扩张段一端的压力计，所述加热单元、温度测定单元及压力测定单元分别与控制单元连接。
进一步地，天然气管道段与高速混合段的内径之比为（3~4）：1。天然气管道段与高速混合段的内径比例关系到高速混合段的气体流速，决定了天然气与气态的醇基燃料在高速混合段的混合效果。这一比例过大（即天然气管道段内径一定时，高速混合段内径过小）会导致高速混合段气体流速过高，天然气与气态的醇基燃料不能在此段充分混合就进入扩张段；这一比例过小（即天然气管道段内径一定时，高速混合段内径过大）又不能明显提高天然气进入高速混合段后的流速，不能起到使天然气和气态醇基燃料高速混合的作用。
进一步地，高速混合段的长度与内径之比为（150~180）：1。在高速混合段内径一定的前提下，该参数关系到高速混合段的长度，过短会降低高速混合的时间，影响掺混效果；过长会增加气态醇基燃料凝结的风险。
进一步地，高速混合段与低速混合段的长度之比为（3~5）：1。在高速混合段长度一定的前提下，该参数关系到低速混合段的长度。低速混合段过短会降低低速混合的时间，影响掺混效果；过长浪费管道，还会增加气态醇基燃料凝结的风险。
进一步地，第一加热器和第二加热器为油浴加热装置，经过油浴加热装置的天然气管道和醇基燃料管道呈螺旋状。螺旋状有助于管道内燃料快速均匀的加热。
一种利用上述装置向天然气中掺混醇基燃料的预热混合方法：液态的醇基燃料经第二加热器加热变成气态，第二温度计对气态醇基燃料的温度进行监测，控制第二温度计的温度数值在180~190℃范围；从第一加热器吸热的天然气经收缩段射出与气态醇基燃料在高速混合段混合，再通过扩张段进入低速混合段继续混合，在刚进入低速混合段时第三温度计和压力计监测混合燃料的温度和压力，控制第三温度计的温度数值在95~105℃范围，压力计的压力数值在0.103~0.110Mpa范围；在进入喷嘴前，第四温度计监测混合燃料的终温，控制第四温度计的温度数值在70~90℃范围。控制第二温度计的温度数值为180~190℃，一方面保证液态的醇基燃料能够完全气化，另一方面保证气化后的醇基燃料具有较高热量，不会凝结；控制第一温度计的温度数值为150~170℃的目的在于保证天然气具有一定的热量，防止与气态的醇基燃料混合后致其预冷凝结。控制第四温度计的温度数值为70~90℃可以保证混合后的燃料在进入喷嘴前不出现凝结，保证在低速混合段一直处于完全气化状态。控制低速混合段压力计的压力数值在0.103~0.110Mpa范围内，是为了让低速混合段管道压力微大于低速混合段管道出口处的环境大气压（0.1Mpa），这样混合气体在经历一定长度的低速混合段的管道流动损失之后，既可以达到继续充分混合的目的又可以达到克服流动阻力与空气在喷嘴处汇合的目的。由于整个装置在大气环境下运行，装置内部的压力也没必要设置过高（否则对设备要求会很高，增加成本）。因此，0.103~0.110Mpa范围较为合适。第三温度计的温度数值选择在95~105℃，是因为混合后的气体燃料还将在一定长度的低速混合段流动并且散热，虽然低速混合段设有加热装置，但由于低速混合段的内部换热表面积较大，很容易降温到完全蒸发温度以下，为了充分保证燃料最终出口处的温度在70~90℃不发生凝结，所以把第三温度计的温度数值选择在该范围。
本发明的有益效果：
（1）通过加热器将醇基燃料气化，以气体的形式掺混进天然气，从而保证混合燃气的连续性和均匀性，实现了将物理性质差别显著的两种燃料掺混的目的；
（2）通过高速混合和低速混合两种混合方式，能保证气态的醇基燃料和天然气进行均匀掺混，保证了混合燃气的均匀性和均一性；
（3）通过在低速混合段设置加热器，能保证气态的醇基燃料与天然气掺混进入低速混合段时不会出现凝结，保证混合燃气在进入喷嘴前都能维持在气态，且均匀、均一；
（4）本发明提供的向天然气中掺混醇基燃料的方法能保证醇基燃料和天然气在气态下进行混合，且不会在混合过程中出现凝结，掺混效果好且容易实现。
附图说明
图1：掺混装置示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1：向天然气中掺混醇基燃料的预热混合装置和方法
如图1，一种向天然气中掺混醇基燃料的装置，包括燃料管道、加热单元、温度测定单元和压力测定单元；燃料管道按天然气流向依次包括天然气管道段1、收缩段2、高速混合段4、扩张段5、低速混合段6和喷嘴7，高速混合段4近收缩段2一端分支设有醇基燃料管道段3；加热单元包括设于天然气管道段的油浴加热装置8，设于醇基燃料管道段的油浴加热装置9和设于低速混合段的通电加热片10，加热片10包裹在管道上；温度测定单元包括设于天然气管道段上位于第一加热器8与收缩段2之间的第一温度计T1，设于醇基燃料管道段3上位于第二加热器9与高速混合段4之间的第二温度计T2，设于低速混合段6近扩张段5一端的第三温度计T3和设于低速混合段6末端的第四温度计T4；压力测定单元包括设于低速混合段6近扩张段5一端的压力计P。加热单元、温度测定单元及压力测定单元分别与控制单元连接。
加热后的天然气从内径为9.5mm天然气管道段1流入，后进入收缩段2，速度变大，气态的醇基燃料在燃料压力源的压力下沿醇基燃料管道段3（内径3mm）进入收缩段2，与天然气在高速混合段4（内径3mm）高速混合，再进入扩张段5。之后混合燃料在低速混合段6（9.5mm内径）继续充分混合后进入喷嘴7燃烧。 高速混合段4的长度为0.5m，扩张段5长度为0.3m，低速混合段6长度为2m。操作过程中，控制T1的温度数值为150~170℃，T2的温度数值为180~190℃，T3的温度数值为95~105℃，T4的温度数值为70~90℃，控制低速混合段6近扩张段一端的压力计的压力P在0.103~0.110Mpa范围内。控制T2的温度数值为180~190℃，一方面保证醇基燃料能够完全气化，另一方面保证气化后的醇基燃料不会凝结；控制T1的温度数值为150~170℃的目的在于保证天然气能处于一定的温度，防止与醇基燃料混合后导致气化后的醇基燃料凝结。控制T4的温度数值为70~90℃可以保证混合后的燃料在进入喷嘴7前不出现凝结，保证在低速混合段6一直处于完全气化状态。控制低速混合段压力计的压力数值在0.103~0.110Mpa范围内，是为了让低速混合段管道压力微大于低速混合段管道出口处的环境大气压（0.1Mpa），这样混合气体在经历一定长度的低速混合段的管道流动损失之后，既可以达到继续充分混合的目的又可以达到克服流动阻力与空气在喷嘴处汇合的目的。由于整个装置在大气环境下运行，装置内部的压力也没必要设置过高（否则对设备要求会很高，增加成本）。因此，0.103~0.110Mpa范围较为合适。第三温度计的温度数值选择在95~105℃，是因为混合后的气体燃料还将在一定长度的低速混合段流动并且散热，虽然低速混合段设有加热装置，但由于低速混合段的内部换热表面积较大，很容易降温到完全蒸发温度以下，为了充分保证燃料最终出口处的温度在70~90℃不发生凝结，所以把第三温度计的温度数值选择在该范围。
在上述装置和方法的基础上，保持和基准工况（Base Point，即纯天然气）相同的热负荷，分别掺入10%、20%、30%、50%热负荷的1#醇基燃料（来源见说明书最后），考察掺烧特性，其实验工况如下表所示。
如工况4，掺烧比例50%，即表示掺入的醇基燃料热值是混合燃料总热值的50%。两种燃料到达低速混合段前，均被加热到气态。在上述方法和装置基础上，通过保证空气流量不变以及热负荷不变，调整天然气和醇基燃料的比例来分析掺烧不同比例醇基燃料的天然气的燃烧特性。OH*-ICCD方法对上述工况火焰的监测结果表明，本发明提供的装置和方法能够保证均匀地向天然气中掺混不同比例的醇基燃料，火焰连续、稳定。
实施例2：天然气管道段与高速混合段内径比例对混合燃气均匀性的影响
OH*（OH自发化学荧光）分布可反映火焰的热释放强度。掺混不同比例醇基燃料的天然气在燃烧时热释放强度不一样，因此，OH*分布也不一样。OH*分布的测试用ICCD（增强型CCD）相机结合BP308/10窄带滤波片获得。掺混有不同比例醇基燃料的天然气燃烧出的火焰中OH*分布不一样，体现出来的区别就是ICCD获得的照片上颜色分布不一样，也就代表着不同区域的火焰热释放强度不同。因此，如果天然气与醇基燃料掺混均匀的话，一段时间内获得的多张照片的颜色分布应一致；掺混不均匀的话，不同时间点获得的ICCD照片上的颜色分布差别就较大。用这个方法可以判断醇基燃料与天然气是否掺混均匀。
实施例1中天然气管道段内径为9.5mm，高速混合段内径为3mm，二者内径之比约为3.2。为了研究天然气管道段与高速混合段内径比例对混合燃气均匀性的影响，还设计了另外4中不同内径比例的装置，其中，天然气管道段内径均为9.5mm，高速混合段内径分别为4.8mm（内径之比约为2:1）、3.2mm（内径之比约为3:1）、2.4mm（内径之比约为4:1）和1.9mm（内径之比为5:1），其余管道尺寸同实施例1。分别用这5种装置按照实施例1的掺混方法向天然气中掺混醇基燃料（掺混比例为50%，即工况4），用OH*-ICCD方法观察燃烧火焰，5秒拍摄一张照片，共拍摄30张，比较30张照片上火焰的荧光强度。结果显示：天然气管道段内径都为9.5mm，高速混合段内径为3.2mm、3mm和2.4mm的装置能将天然气与醇基燃料掺混均匀，30张照片显示的OH*分布连续稳定；高速混合段内径为4.8mm和1.9mm的装置在测定的燃烧时间内不能获得连续稳定的OH*分布，说明醇基燃料与天然气掺混不均匀。
实施例3：高速混合段的长度与内径比例对混合燃气均匀性的影响
实施例1中，高速混合段的内径为3mm，长度为500mm，长度约为内径的167倍。为了研究高速混合段的长度与内径比例对混合燃气均匀性的影响，还设计了另外4中不同比例的装置。高速混合段的内径均为3mm，长度分别为：420mm（长度与内径之比为140：1）、450mm（长度与内径之比为150：1）、540mm（长度与内径之比为180：1）和570mm（长度与内径之比为190：1），其余管道尺寸同实施例1。分别用这5种装置按照实施例1的掺混方法向天然气中掺混醇基燃料（掺混比例为50%，即工况4），用OH*-ICCD方法观察燃烧火焰，5秒拍摄一张照片，共拍摄30张，比较30张照片上火焰的荧光强度。结果显示：高速混合段长度为450mm、500mm和540mm的装置能将天然气与醇基燃料掺混均匀，30张照片显示的OH*分布连续稳定；高速混合段长度为420mm和570mm的装置在测定的燃烧时间内不能获得连续稳定的OH*分布，说明醇基燃料与天然气掺混不均匀。
实施例4：高速混合段与低速混合段长度比例对混合燃气均匀性的影响
实施例1中，高速混合段的长度为500mm，低速混合段长度为2000mm，低速混合段长度为高速混合段长度的4倍。为了研究二者长度比例对混合燃气均匀性的影响，还设计了另外4中不同比例的装置。高速混合段的内径均为500mm，低速混合段长度分别为：1000mm（长度之比为2：1）、1500mm（长度之比为3：1）、2500mm（长度之比为5：1）和3000mm（长度之比为6：1），其余管道尺寸同实施例1。分别用这5种装置按照实施例1的掺混方法向天然气中掺混醇基燃料（掺混比例为50%，即工况4），用OH*-ICCD方法观察燃烧火焰，5秒拍摄一张照片，共拍摄30张，比较30张照片上火焰的荧光强度。结果显示：低速混合段长度为1500mm、2000mm和2500mm的装置能将天然气与醇基燃料掺混均匀，30张照片显示的OH*分布连续稳定；高速混合段长度为1000mm和3000mm的装置在测定的燃烧时间内不能获得连续稳定的OH*分布，说明醇基燃料与天然气掺混不均匀。
本发明所采用用于研究向天然气中掺混醇基燃料的预热混合装置和方法的醇基燃料为上海源圭能源有限公司提供的1#醇基燃料，主要组成为质量分数为92.3%的甲醇。本领域技术人员应当知道，本发明研究出的预热混合装置和方法对不同醇基燃料具有普适性，并不局限于某种醇基燃料。
Claims (3)
1.一种向天然气中掺混醇基燃料的预热混合装置，其特征在于：包括燃料管道和加热单元；燃料管道按天然气流向依次包括天然气管道段、收缩段、高速混合段、扩张段、低速混合段和喷嘴，高速混合段近收缩段一端分支设有醇基燃料管道段；加热单元包括设于天然气管道段的第一加热器，设于醇基燃料管道段的第二加热器和设于低速混合段的第三加热器；其中，天然气管道段与高速混合段的内径之比为(3～4)：1，高速混合段的长度与内径之比为(150～180)：1，高速混合段与低速混合段的长度之比为(3～5)：1。
2.根据权利要求1所述的预热混合装置，其特征在于：第一加热器和第二加热器为油浴加热装置，经过油浴加热装置的天然气管道和醇基燃料管道呈螺旋状。
3.采用权利要求1或2所述的预热混合装置向天然气中掺混醇基燃料的预热混合方法，其特征在于：液态的醇基燃料经第二加热器加热变成气态，第二温度计对气态醇基燃料的温度进行监测，控制第二温度计的温度数值在180～190℃范围；从第一加热器吸热的天然气经收缩段射出与气态醇基燃料在高速混合段混合，再通过扩张段进入低速混合段继续混合，在刚进入低速混合段时第三温度计和压力计监测混合燃料的温度和压力，控制第三温度计的温度数值在95～105℃范围，压力计的压力数值在0.103～0.110Mpa范围；在进入喷嘴前，第四温度计监测混合燃料的终温，控制第四温度计的温度数值在70～90℃范围；其中，第一温度计设于天然气管道段上位于第一加热器与收缩段之间，第二温度计设于醇基燃料管道段上位于第二加热器与高速混合段之间，第三温度计设于低速混合段近扩张段一端，第四温度计设于低速混合段末端，压力计设于低速混合段近扩张段一端；各加热器、温度计和压力计均分别与控制单元连接。
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