輕烴在城市燃?xì)忸I(lǐng)域的應(yīng)用

摘 要

前言輕烴是石油煉制過程中餾程為80℃以下的副產(chǎn)品，產(chǎn)量豐富，價(jià)格遠(yuǎn)低于液化石油氣；餾程為80℃以下的輕烴經(jīng)過氣化與空氣混合成符合國家燃燒特性標(biāo)準(zhǔn)的管道輸配混合燃?xì)?。輕烴燃
前言
輕烴是石油煉制過程中餾程為80℃以下的副產(chǎn)品，產(chǎn)量豐富，價(jià)格遠(yuǎn)低于液化石油氣；餾程為80℃以下的輕烴經(jīng)過氣化與空氣混合成符合國家燃燒特性標(biāo)準(zhǔn)的管道輸配混合燃?xì)狻］p烴燃?xì)鉄崮芾眯矢?，無“三廢”排放，無毒無害，不會(huì)造成人員中毒現(xiàn)象，而且價(jià)格低廉，是一種能代替?zhèn)鹘y(tǒng)生活燃料的新型綠色能源。
　一直以來，輕烴作為煉油廠的油氣的副產(chǎn)品，往往沒有被合理、科學(xué)的利用起來，這些寶貴資源往往被當(dāng)作“長明灼，白白燒掉。”事實(shí)上，輕烴的熱值是天然氣的四倍。目前輕烴燃?xì)獾募夹g(shù)已經(jīng)開發(fā)出來，并產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。因此大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)輕烴資源的綜合利用，提高資源綜合利用率，不僅有助于緩解我國能源緊張的嚴(yán)峻形勢，而且對落實(shí)節(jié)能減排工作方案，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)“十一五”規(guī)劃目標(biāo)具有重要的意義。
　作為城市燃?xì)獾闹匾a(bǔ)充，輕烴已被建設(shè)部確定為我國第四代新型城市燃?xì)?。目前，中國城市燃?xì)鈪f(xié)會(huì)正在加緊編制輕烴混空燃?xì)?簡稱混空輕烴)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使混空輕烴燃?xì)獾纳a(chǎn)、運(yùn)儲和使用“有法可依”，進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)安全，促進(jìn)混空輕烴燃?xì)獾牧夹园l(fā)展。
　在輕烴的設(shè)計(jì)、施工和使用過程中，其安全性、可靠性和穩(wěn)定性一直是普遍關(guān)注的問題，下面從幾方面對輕烴燃?xì)獾陌踩院头€(wěn)定性進(jìn)行論述，以和有關(guān)同行進(jìn)行共同探討，促進(jìn)輕烴混空燃?xì)飧酶斓叵蚯鞍l(fā)展。
　1、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)
　在輕烴的目前應(yīng)用過程中，碰到的最大問題是執(zhí)行的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)問題。在設(shè)計(jì)、施工和應(yīng)用領(lǐng)域，主要利用現(xiàn)有已發(fā)布的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，使工程在消防、安全、節(jié)能審批和驗(yàn)收等方面取得可靠的依據(jù)。
　2、混合氣的安全性
　2.1 混合氣的露點(diǎn)
　在輕烴混空燃?xì)庠趹?yīng)用過程中最主要的問題是露點(diǎn)問題，即輕烴與空氣的混合比例決定了其安全性和適用性。氣體輸送過程中最主要的條件是混合氣的露點(diǎn)要低于環(huán)境溫度5℃以上，下面是正戊烷、異戊烷和空氣混合氣的露點(diǎn)計(jì)算及圖表。
正戊烷和空氣混合氣的露點(diǎn)
壓力(×105Pa)
正戊烷和空氣混合比
10
20
30
40
50
60
80
100
1
-18.5
-4.5
4.2
9
14
20
28
362
1.1
-15
-2.5
6.8
11.5
17
24.5
26
30
1.2
-13.8
-1
8
132
18.5
26
28
29.5
1.4
-11.5
2
11.5
17
22
31.5
35
40
1.6
-9.8
4.7
12.4
20
27
31.5
40
44
2
-7
7.9
17
22
28
34.5
37.5
48
3
2
17.5
27
35
40
45
50
58
 
異戊烷和空氣混合氣的露點(diǎn)
壓力×105Pa)
異戊烷和空氣混合比
10
20
30
40
50
60
80
100
1
-24
-11.8
-2.8
4.3
8
13.5
22
27.85
1.1
-14.3
-8.8
1.8
7.5
13.5
19
26
34
1.2
-18
-4.5
5.5
11.5
17
22
32
37
1.4
-15.5
-3
8.1
14
20
26.5
35
40
1.6
-13.8
0
12
17
22
30
40
44
2
-12
2
7.5
13.5
19
26
34
48
3
-4
12
23
28
36
45
50
58
 
　輕烴是C4、C5及C6等的烷烴混合物。C6以上成分在相同的溫度下蒸汽壓與C4、C5相比低得名。輕烴與空氣混合后，混合物露點(diǎn)不僅與混氣比、混合物壓力有關(guān)，與輕烴各組分濃度關(guān)系較大，特別是C6以上成分影響最大。輕烴與空氣混合比可控制1:5或1:4。通過計(jì)算得出，當(dāng)壓力為O.1MPa，C8以上濃度為2%，露點(diǎn)低于0℃；C6以上成分降低至1%，混合物露點(diǎn)可降低到-5℃；若提高壓力至O.15MPa，C6以上成分必須小于1%，混合物露點(diǎn)才能不低于0℃。在實(shí)際使用過程中，由于不同來源的輕烴的組分比較復(fù)雜，因此要注意控制輕烴的組分，尤其是C6以上成分，根據(jù)不同的組分和不同地區(qū)的環(huán)境溫度進(jìn)行計(jì)算，使輕烴混空燃?xì)獯孳噴^為安全的區(qū)域下輸送。
　2.2 爆炸極限
　輕烴混合氣安全性的另一個(gè)重要因素是爆炸極限。下表是一組輕烴與空氣混合氣的物性參數(shù)表，從表中可以看出，以戊烷烴為主的輕烴的爆炸極限上限較低。
混合后燃?xì)馕镄詤?shù)計(jì)算表(輕烴：AIR=1:4)(273.15K 101325Pa)
組分
分子量
體積%
密度(kg/m3)
相對密度
絕熱指數(shù)(K)
動(dòng)力粘度×106(Pa.S)
運(yùn)動(dòng)粘度×106(Pa.S)
爆炸極限(V%)
著火溫度(℃)
高熱值(MJ/Nm3)
低熱值(MJ/Nm3)
臨界溫度(K)
臨界壓力(MPa)
沸點(diǎn)
正丁烷
58.124
2.O
2.703
2.09
1.144
0.697
2.53
8 5
1.5
365
133.9
123.66
425.18
3 747
-0.5
異戊烷
72.151
8.O
3.45
2.671
1.121
0648
1.85
8.3
1.4
420
169.39
156.75
469.65
3.325
27.82
正戊烷
72.151
8.O
3.45
2.671
1.121
0.648
1.85
83
1.4
260
162.28
155.78
469.65
3 2
36.06
己烷
78.114
2.O
3.84
2.97
1.12
0.712
1.82
8
1 2
560
161.89
155.41
125.97
3349
68.74
空氣
28.966
80
1.2931
1
1.304
17.17
13.4
 
 
 
 
 
132.5
3.645
-192
混合物
37.442
100
1.717
1.328
1.267
1.267
6.058
0.069
0.069
 
32.449
30.58
192.16
3.579
 
2.3 燃燒特性
以上述比例的輕烴混合氣計(jì)算的物性參數(shù)詳見下表
燃?xì)馕镄詤?shù)表(輕烴：AIR=1:4)
序號
參數(shù)名稱
數(shù)量
單位
1
平均分子量
37.442
 
2
密度
1.717
kg/Nm3
3
相對密度
1.328
 
4
絕熱指數(shù)(硒
1.267
 
5
動(dòng)力粘度×106((Pa.S)
1.626
Pa.S
6
運(yùn)動(dòng)粘度×106(m2/s)
6.058
m2/s
7
爆炸極限(V%)(上限)
0.4t
%
 
(下限)
0069
%
8
高熱值(MJ/Nm3)
32.449
MJ/Nm3
9
低熱值(MJ/Nm3)
30.584
MJ/Nm3
10
臨界溫度(K)
192.16
K
11
臨界壓力(MPa)
3.5794
MPa
12
華白數(shù)
24.76
MJ/Nm3
13
燃燒勢
10.37
 
　從燃燒熱值來看，其熱值較高，華白數(shù)和燃燒勢近似于《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸悺稧B/T1361 1-2006中的6T的天然氣，因此在燃燒器具選擇天然氣的灶具就可以滿足輕烴混空燃?xì)獾囊蟆?/span>
　3、氣化方式的選擇
　輕烴和液化石油氣相比，在相同的溫度條件下氣化潛熱較高，較難氣化，因此設(shè)計(jì)過程中要根據(jù)提供的輕烴組分，經(jīng)過計(jì)算確定合理的氣化溫度區(qū)間和氣化方式。
　氣化熱媒有電、熱水和蒸汽，由于輕烴氣化潛熱較大，因此選擇可靠的氣化介質(zhì)具有重要的意義，不僅可以減少運(yùn)行成本，而且還可以保證生產(chǎn)操作的安全穩(wěn)定。
　在有充足的電力和蒸汽氣源的地方，選擇電和蒸汽是可行的，但多數(shù)的廠站不具備這一優(yōu)勢，因此只能選擇以熱媒加熱產(chǎn)生熱水或蒸汽的氣化方式。這種氣化方式要求配套有自動(dòng)化程度較高的蒸汽或熱水鍋爐，還要有加熱的氣源。在設(shè)計(jì)輕烴混空站時(shí)通常是把混合后的氣體回輸至鍋爐作為燃料，但要考慮啟車時(shí)的備用燃料問題。
　4、調(diào)峰儲氣方式
　在設(shè)計(jì)液化氣混空站時(shí)通過氣化混氣設(shè)備的啟停數(shù)量來調(diào)節(jié)下游用氣負(fù)荷的變化，但在設(shè)計(jì)輕烴混空站的設(shè)計(jì)過程中，由于氣化工藝為連續(xù)強(qiáng)制氣化的特殊性不能通過設(shè)備的頻繁啟停來調(diào)節(jié)氣量的變化，只能通過儲氣方式來解決。
　儲氣方式有濕式氣柜、干式氣柜、緩沖儲罐儲氣幾種，下表(表格見下頁)我們根據(jù)技術(shù)、安全、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)幾方面對幾種儲氣方式進(jìn)行簡要的分析(儲氣規(guī)模按照2萬立方米考慮)。
三種儲氣方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比分析表
技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性
濕式氣柜
干式氣柜
緩沖儲罐儲氣
規(guī)格
D=39m，H=31.67m，V=23367m3
D=26.5m，H=43m，V=23187m3
球罐D(zhuǎn)=1Om，H=32m，P=O.15MPa
鋼材
390t
560t
474t
數(shù)量(臺)
1
1
6
總投資(萬元)
608
874
740
技術(shù)特性壓力
儲氣壓力3000Pa，并且波動(dòng)
儲氣壓力6000Pa，壓力穩(wěn)定
儲氣壓力0 2MPa，壓力穩(wěn)定
煤氣濕度
罐內(nèi)煤氣濕度較大，出口煤氣含水份較高
煤氣較為干燥
煤氣較為干燥
占地
較大
較小
較大
防腐蝕
易腐蝕
不易腐蝕
不易腐蝕
壽命
20年
30年
20年
基礎(chǔ)要求
較高
較低
較高
抗震性能
較差
較好
較好
安全性
塔節(jié)薄弱處易漏氣需加強(qiáng)
密封系統(tǒng)較復(fù)雜，對密封油要求較高
操作壓力較高，安全性較差
單位儲氣建設(shè)成本(元/Nm3)
304
437
370
運(yùn)行成本(萬元/年)
50
30
20
壽命期內(nèi)的總成本現(xiàn)值(萬元)
955.78
820.4
625 6
    注：上表的壽命期內(nèi)總成本計(jì)算是按利率6%，25年。
　通過以上比較，低壓濕式氣柜由于其煤氣中水含量較高，并且冬季易造成結(jié)露需要采取保溫措施，增加運(yùn)行成本，干式氣柜由于其壽命期內(nèi)的總成本較高，對于用氣規(guī)模較小的城市不適用，從壽命期內(nèi)總成本的現(xiàn)值來看輕烴儲氣考慮緩沖儲罐為最佳方案。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦?、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較綜合確定儲氣方案，根據(jù)確定的露點(diǎn)控制儲氣壓力不超過臨界壓力，同時(shí)根據(jù)用氣規(guī)模合理的調(diào)整儲氣容積。
　5、輸配系統(tǒng)
　根據(jù)前面的露點(diǎn)計(jì)算，輸配系統(tǒng)的輸送壓力最好不要超過O.15MPa，因此在管網(wǎng)輸送時(shí)以中壓B級或低壓輸送為宜。管材的選擇應(yīng)優(yōu)先考慮使用PE管材，閥門采用全通徑直埋式球閥為主，管道的埋深要在冰凍深度以下，同時(shí)根據(jù)坡度在低點(diǎn)要設(shè)置凝水缸。
　6、安全消防系統(tǒng)
　在輕烴混空站的設(shè)計(jì)過程中，通過采取以下安全消防措施來保證生產(chǎn)的安全性。
　根據(jù)和國家現(xiàn)行有關(guān)液化氣混空站的規(guī)范要求，進(jìn)行混空站的總平面布置。
　設(shè)置消防水池和消火栓，并在站區(qū)布置環(huán)狀消防水管網(wǎng)，儲罐考慮噴淋冷卻水和消防水系統(tǒng)。
　在工藝設(shè)計(jì)過程中注重對氣化混氣參數(shù)的設(shè)備單體控制和連鎖控制，在保證安全的前提下，實(shí)現(xiàn)無人值守的自動(dòng)控制。
　管道和設(shè)備均實(shí)現(xiàn)可靠的靜電接地，緩沖儲罐考慮防雷接地設(shè)計(jì)。
　生產(chǎn)廠房按《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50018—2006的要求考慮足夠的泄壓防爆。
　輕烴燃?xì)庹絹碓绞艿秸块T的重視和倡導(dǎo)，作為缺少能源城市燃?xì)獾闹匾a(bǔ)充，它的推廣和使用，勢必會(huì)帶來越來越多的新問題、新矛盾，只要我們共同努力，在設(shè)計(jì)施工過程中把供氣安全放在第一位，以現(xiàn)行的國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)則，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、開拓創(chuàng)新，促進(jìn)混空輕烴燃?xì)獾牧夹园l(fā)展。
 
(本文作者：王曉杰1 趙磊2 1.中國市政工程東北設(shè)計(jì)研究院；2.吉林省建筑工程學(xué)院)