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Prima BT 测量燃料气热值的解决方案 Thermo Scienti?c 赛默飞世尔科技在全国有共21个办事处.

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11 12 理想的分析仪能够快速在线检测WI(沃泊指数)和CARI(燃 烧空气指数)值,可进行前馈控制.Prima 系列质谱仪是这些 参数测量的首选技术,因为磁扇质谱技术提供了全面、精确、 快速和稳定的燃气分析性能.使用Prima BT,可在不到30秒时 间内对燃气里的所有组分进行分析,包括H2 , CH4 , CO, N2 , O2 , C2 H6 , CO2 , C3 H8 , C4 H10 和C6 H6 ,并且其相对精度高于0.1%或 者绝对精度为0.01mol%. 一般而言,炉子工作在恒温状态(理论上以恒定速率,向 燃气炉加入份固定的气体并按充分燃烧条件以正确速率连续通 气可保证温度恒定).但实际上,钢铁厂提供的气体成分是变 化的,并且保持温度恒定需要变化通气速率.通入空气的速率 也必须是变化着的以在过少或使用空气时最大限度减少能量浪 费.此外,过量的空气会导致金属表面氧化带来缺陷.在一个 典型的钢铁联合企业, 表2 所列出的气体既可单独作为燃料也可混合作为燃料. 表格列出了燃烧优化的CV(热值)及相应的SAR(燃烧空气 需要量)值. 多流路的Prima BT 可测量高炉煤气(BFG),焦炉煤气 ( COG ),转炉煤气( LDG)和天然气(NG).它还可提 供准确地气体成分并记录较低/较高位的精确热值、较低/较高位 的WI,密度和CARI值.这些数据通过某个数据通路直接传输 用于气体混合与空气供应的前馈控制.改变.燃烧所需的空气 量也同样如此.除非这些特性得到监控和补偿,否则炉子或发 电厂将无法正常控制,造成显著的效率低下,能源浪费甚至燃 烧器损坏. 在实际使用领域,炼油厂或石化厂的燃料气可能来源于附 近的气田或其他加工过程(如炼油厂的尾气),以及油田收集 的伴生气.因此,气体处理工厂燃料气体积和成份会有很大的 差别.通常天然气含有85%的甲烷和数量不定的天然气凝液 (NGL),包括液化乙烷( C2H6) 、丙烷(C3H8) 、正丁烷 (n-C4H10)、异丁烷(i-C4H10)、戊烷和更重烃(C5+)、 惰性气体(典型的是氮和氦),和硫化氢(H2S)、二氧化碳 (CO2)等酸性气体. 组份不断变化的加热炉或电厂燃料气对工艺工程师提出了 特别的挑战,这些工艺工程师需要达到最佳的运行效率和产品 的产量.由于燃料气成份的变化,它的加热(发热)值的变 化,所以燃烧器的温度因此而改变.燃烧所需的空气量也同样 如此.除非这些特性得到监控和补偿,否则炉子或发电厂将无 法正常控制,造成显著的效率低下,能源浪费甚至燃烧器损 坏. 钢厂燃料气热值测量 Prima BT 工业燃料气热值测量 炼油厂、石化厂燃料气热值测量 气井 冷凝/脱水 废水 酸性气 气体分馏 乙烷 丙烷 戊烷 C5+ MS质谱仪测量点 天然气管网 轻烃回收 氮脱除 焚烧炉 冷凝/脱水 尾气处理 脱汞 脱硫 脱水 硫磺 通常加热炉运行在恒温状态;

为实现这一理想,需要保持 燃气炉燃料气组份和燃烧时燃料气供给量不变;

并使用恒定的 空气,以确保燃料气在正确的比率下完全燃烧.在实践中,所 供应的燃料气的组份是不同的,特别是在工艺复杂的石化厂或 综合钢铁厂,-他们从各种各样的生产过程中获取燃料气.因此,为了保持恒定的温度,无论是燃料气的供给速率需要改 变,或者,在混合站要确保混合后的热值稳定,需要改变各种 气体的混合流量.此外,空气供应量也需要变化.因为,如果 空气太少或使用太多的空气都会有能源浪费.如果空气量太 少,一些燃气将未燃尽,将会产生浪费.如果添加太多的空 气,那么一些热量就会被浪费掉.在冶金过程中,过量的空气 也会引起金属表面由于氧化而产生的表面缺陷,而温度控制不 佳也会对产品质量产生不利影响.利用对燃气组份进行分析可 以准确预测前馈控制的热特性.CV(热值)的计算是根据已知 的所有纯组份摩尔分数测量的的CV值(热值)得到.但实际 上,燃气流会受到限制,比如管口或阀门.实际流量大小与气 体比重(SG)的平方根成反比,这就使得在实际操作中,WI (沃泊指数)值比CV值(热值)更加实用.WI(沃泊指数) 定义如下: 表1:典型的天然气性能指标 气体成份 摩尔浓度% 绝对精度% CO2 6.000 0.005 CH4 84.849 0.010 N2 0.100 0.005 C2H6 5.500 0.003 C3H8 1.000 0.001 n- C4H10 0.500 0.001 i- C4H10 0.500 0.001 n- C5H12 0.200 0.001 i- C5H12 0.200 0.001 C6H14 0.100 0.001 H2S 0.001 0.00005 注:精度是超过

24 小时标准偏差,基于

15 秒/流路的 分析时间. CV √SG WI = SAR √SG CARI = 表2:典型热值 CV(热值,kcal/m3 ) SAR(燃烧空气需要量) 焦炉煤气

4000 4 高炉煤气

750 0.6 转炉煤气

2000 1.6 天然气

9000 10 与其他技术的比较 理论上,有更简单、更低成本的仪器可用于测量一些燃气特 性.但相比之下,PrimaBT的测量方法更加充分、精确、快速. 用于测量燃气燃烧热效率的热量计可用于测量CV或WI,但无法 对两者同时测量.将热量计与密度计结合可提供计算其他特性值 的数据.Prima系列质谱仪精度是提高了10 倍(热量计相对精度 的1%,而PrimaBT相对精度为0.1%).Prima BT的响应时间 也同样提高了10倍(PrimaPRO响应时间为15秒,热量计为2.5 分钟).热量计无法测量多种组份燃气的CV值,也无法计算 SAR值(燃烧空气需要量,对于高效燃烧很重要).SAR(燃烧 空气需要量)有时可通过离散氧气分析仪测量炉内过量的氧气得 到.但是,该方法使复杂度增加并且当炉内空气泄漏时容易出 错.与使用在线质谱仪测量燃气相比,且由于热量计测量多流路 多类型样本时的不适用性,唯一的解决办法便是使用多台热量计 和密度计外加一台离散氧气分析仪.同老式多分析仪系统相比, 单台Prima BT的成本、复杂度和维护需要使之成为极为有利的 解决方案.测量不同组份时,调整Prima BT分析方法很简单, 可忽略气体随时间改变而产生的一切问题.例如,对于供来源的 变化而言,天然气的分析方法很容易便可更改为用于分析含 CO2,C5H6,C6H14 的气体. Prima BT:快速、准确的气体成分分析 利用PrimaBT,可对燃料气的成份进行快速、高精度的在 线分析,包括全面和精确的成份分析以及热值(粗热值和净热 值)、密度、比重、华比指数、燃烧空气需要量(SAR)和燃 烧需气量指数(CARI)的计算.燃烧需气量用于工厂燃烧气体 时对燃烧的控制.Prima BT还能为控制气体加工阶段的物料平 衡方程提供精确的气体组成数据. Prima BT还有下列应用优势: 减少能源消耗(燃气和电能) 提高产品的回收 精确测量产品的能值 减少炉管结垢/结焦 减少环境排放 混气站 混合后燃气至加热炉 DCS系统 高炉煤气 焦炉煤气 天然气 质谱仪 转炉煤气 ........