Properties of artificial gaseous mixtures for their safe use and support the natural gas supply networks

• Autorzy: Łaciak M.

Warianty tytułu

PL

Własności sztucznych mieszanin gazowych do bezpiecznego ich użytkowania i wspomagania zasilania sieci gazu ziemnego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The increase in natural gas consumption by the general public and industry development, in particular the petrochemical and chemical industries, has made increasing the world interest in using gas replacement for natural gas, both as mixtures of flammable gases and gas mixtures as LPG with air (SNG - Synthetic Natural Gas). Economic analysis in many cases prove that to ensure interchangeability of gas would cost less than the increase in pipeline capacity to deliver the same quantity of natural gas. In addition, SNG systems and installations, could be considered as investments to improve security and flexibility of gas supply. Known existing methods for determining the interchangeability of gases in gas gear based on Wobbe index, which determines the heat input and the burning rate tide, which in turn is related to flame stability. Exceeding the Wobbe index of a value increases the amount of carbon monoxide in the exhaust than the permissible concentration. Methods of determining the interchangeability of gases is characterized by a gas in relation to the above-described phenomena by means of quantitative indicators, or using diagrams interchangeability, where the gas is characterized by the position of a point in a coordinate system. The best known method for determining the interchangeability of gases is Delbourg method, in which the gas is characterized by the revised (expanded) Wobbe Index (Wr), the combustion potential, rate of soot formation (Ich) and the ratio of the formation of yellow ends (Ij). Universal way to determine the interchangeability of gas is also Weaver accounting method. It does not require determination of the reference gas. It is designed for utensils for household gas and gas pressure p = 1.25 kPa. The criteria and definition of gas interchangeability volatility in practice to the combustion in a gas gear. In the case of gas exchange in industrial furnaces, interchangeability criteria are usually not very useful because of other conditions of combustion and heat exchange. In industrial reheating furnace gas is combusted in a sealed combustion chambers. Air supply is regulated. The exhaust gases are discharged into canals and the chimney to the atmosphere. The temperature difference between load (fuel gas) and the flame is much less than in the case of gas household appliances. In the furnace heat exchange takes place mainly by radiation in 85% to 95%. The value of heat flux flowing from the gas to a heated charge is not proportional to the heat load burners. Interchangeability of gas is linked by adding to natural gas, a certain amount of gas that is a substitute for natural gas in meeting the criteria for substitution in order to ensure certainty of supply of natural gas to customers. Gases that can be used in the processes of blending and used as replacement gases are mainly a mixture of propane and propane - butane (LPG - Liquid Petroleum Gas), landfill gas or biogas (LFG - Landfill Gas) and dimethyl ether (DME). One of the more well-known gas mixtures used in many countries around the world to compensate for peak demands is a mixture containing about 75% of natural gas and approximately 25% propane / air (LPG / air). Also in Poland is prepared to amend the provisions in this regard (at this moment - oxygen in the gas network can not exceed 0.2%). In this paper, the calculations of interchangeability of gas mixtures LFG - LPG and LPG - air (SNG) for natural gas was made. It was determined whether the analyzed mixtures have similar stable flame zones regardless of the quality of LFG fuel and whether they may in whole or in part replace CH4, without any modification of equipment suction air for combustion. The obtained results will determine whether the fuel can be used as a replacement for natural gas used in such household appliances and, possibly, industrial burners. In connection with the possibility of changes in the quality of LFG, depending on such factors as storage time, as pre-treatment, will be determined the degree of interchangeability of LFG as a fuel mixed with regard to its quality.

PL

Wzrost zużycia gazu ziemnego przez odbiorców komunalnych oraz rozwój przemysłu w szczególności petrochemicznego i chemicznego sprawił, że na całym świecie wzrosło zainteresowanie zastosowaniem gazów zamiennych za gaz ziemny, zarówno jako mieszanin gazów palnych jak i jako mieszanin gazów płynnych z powietrzem (SNG - syntetyczny gaz ziemny). Przeprowadzane analizy ekonomiczne w wielu przypadkach dowodzą, że zapewnienie wymienności paliwa gazowego kosztowało by mniej niż zwiększenie przepustowości gazociągów dla dostarczenia tej samej ilości gazu ziemnego. Ponadto systemy i instalacje SNG, można by uznać za inwestycje poprawiające bezpieczeństwo i elastyczność dostaw gazu. Znane dotychczasowe metody określania zamienności gazów w przyborach gazowych oparte są na liczbie Wobbego, która decyduje o obciążeniu cieplnym przyboru i szybkości spalania, z którą z kolei związana jest stabilność płomienia. Przekroczenie liczby Wobbego o pewną wartość powoduje wzrost ilości tlenku węgla w spalinach ponad dopuszczalne stężenie. Sposoby określające wymienność gazów charakteryzują dany gaz w odniesieniu do opisanych wyżej zjawisk przy pomocy wskaźników liczbowych lub za pomocą diagramów wymienności, na których gaz jest scharakteryzowany przez położenie punktu w układzie współrzędnych. Najbardziej znaną metodą określenia zamienności gazów jest metoda Delbourga, w której gaz scharakteryzowany jest przez skorygowaną (rozszerzoną) liczbę Wobbego (Wr), potencjał spalania, współczynnik tworzenia się sadzy (Ich) oraz współczynnik powstawania żółtych końców (Ij). Uniwersalnym sposobem określenia zamienności gazu jest również metoda rachunkowa Weavera. Nie wymaga ona określenia gazu odniesienia. Przeznaczona jest dla przyborów gazowych użytku domowego i ciśnienia gazu p = 1,25 kPa. Kryteria zmienności gazów i definicja zamienności w praktyce dotyczy spalania gazów w przyborach gazowych. W przypadku wymiany gazu w piecach przemysłowych kryteria zamienności są zazwyczaj mało przydatne z powodu innych warunków spalania i wymiany ciepła. W przemysłowych piecach grzewczych gaz spala się w zamkniętych komorach spalania. Dopływ powietrza jest regulowany. Spaliny odprowadzane są kanałami i kominem do atmosfery. Różnica temperatur nagrzewanego wsadu (paliwa gazowego) i płomienia jest dużo mniejsza niż w przypadku przyborów gazowych domowego użytku. W piecach wymiana ciepła odbywa się głównie przez promieniowanie w 85% do 95%. Wartość strumienia cieplnego płynącego od gazu do ogrzewanego wsadu nie jest proporcjonalne do obciążenia cieplnego palników. Zamienność gazów związana jest dodawaniem do gazu ziemnego pewnej ilości gazu będącego substytutem naturalnego gazu ziemnego przy spełnieniu kryteriów zamienności w celu zagwarantowania pewności dostaw gazu ziemnego do odbiorców. Gazy mogące być użyte w procesach mieszania i wykorzystane jako gazy zamienne to przede wszystkim propan lub mieszaniny propan - butan (LPG - z j.ang. Liquid Petroleum Gas), gazy wysypiskowe lub biogazy (LFG - z j.ang. Landfilll Gas) oraz eter dimetylowy (DME). Jedną z bardziej znanych mieszanek gazowych stosowanych w wielu krajach świata do wyrównywania szczytowych zapotrzebowań jest mieszanka zawierająca ok. 75% gazu ziemnego i ok. 25% mieszanki propan / powietrze, (LPG / air). Również w Polsce przygotowywana jest zmiana przepisów w tym względzie (obecnie zawartość tlenu w sieci gazowej nie może przekraczać 0,2 %). W artykule przeprowadzono obliczenia zamienności mieszanin paliw gazowych LFG - LPG i LPG - powietrze (SNG) za gaz ziemny. Określono czy analizowane mieszaniny mają podobne stabilne strefy płomienia niezależnie od jakości LFG i czy paliwa te mogą w pełni lub w części zastąpić CH4 , bez żadnych modyfikacji urządzeń zasysających powietrze do spalania. Uzyskane wyniki, pozwolą stwierdzić, czy paliwa te mogą być wykorzystane jako zamienne za gaz ziemny użytkowany we wspomnianych urządzeniach gospodarstwa domowego i ewentualnie palnikach przemysłowych. W związku z możliwością zmian jakości LFG w zależności od takich czynników jak czas składowania, sposób obróbki wstępnej, zostanie określony również stopień wymienności LFG jako paliwa mieszanego w odniesieniu do jego jakości.

Słowa kluczowe

EN

natural gas; interchangeability of gases; burning velocity; peak shaving; liquid petroleum gas; propane; landfill gas; Wobbe index

PL

gaz ziemny; zamienność gazów; szybkość spalania; szczytowe zapotrzebowanie; gaz płynny; propan; biogaz; liczba Wobbego

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 57, no. 2
• Strony: 351--362
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., wykr.

Twórcy

autor

Łaciak M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Drilling, Oil and Gas, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• Eaton G.D. 2005. Peak Shaving with Synthetic Natural Gas. Ely Energy.
• Grzybczyk B., Łaciak M., Grela I., 2011. Energetyka gazowa. Obsługa i eksploatacja urządzeń i sieci. Wyd. Tarbonus. Tarnobrzeg-Kraków.
• Glassman I., 1996. Combustion (3rd ed.). Academic Press. San Diego.
• Huzayyin A.S., Moneib H.A., Shehatta M.S., Attia A.M.A., 2008. Laminar burning velocity and explosion index of LPG- air and propane - air mixtures. Fuel 87.
• Halchuk R.A., 2001. Gas Quality Specifications and Interchangeability for End Use Applications. AGA Operations Conference. Dallas. TX.
• Johnson F., Rue D.M., 2002. Gas interchangeability tests: Evaluating the range of interchangeability of vaporized LNGand natural gas. Final Report. Gas Research Institute. GRI-03/0519.
• Łaciak M. i in., 2011. Instalacje i sieci gazowe. Wyd. Verlag Däshofer, Warszawa.
• Łaciak M., 2011. Analiza możliwości zamienności i zmian jakościowych gazów w aspekcie bezpiecznego użytkowania i wspomagania zasilania sieci gazu ziemnego z zastosowaniem równoważnych mieszanin gazowych. Zeszyty Naukowe AGH Wiertnictwo. Nafta. Gaz, t. 28, z. 1-2.
• Łaciak M., 2009. Ocena niepewności wyników statycznej symulacji sieci gazowych. Zeszyty Naukowe AGH Wiertnictwo, Nafta, Gaz, t. 26, z. 4.
• Lee C.E., Hwang C.H., Lee H.Y., 2008. A study on the interchangeability of LFG-LPG mixed fuels with LFG quality indomestic combustion appliances. Fuel 87.
• Lee C.E., Hwang C.H., 2007. An experimental study on the flame stability of LFG and LFG-mixed fuels. Fuel 86.
• Lee C.E., Oh C.B., Jung I.S., Park J., 2002. A study on the determination of burning velocities of LFG and LFG - mixedfuels. Fuel 81.
• Lee C.E., Lee S.R., Han J.W., Park J., 2001. Numerical study on effect of CO2 addition in flame structure and NOx formation of CH4 - air counter flow diffusion flames. Int. J. Energy Res., 25.
• Metghalchi M., Keck J.C., 1980. Burning velocity of propane - air mixtures at high temperature and pressure. Combust Flame. 38.
• Marchionna M., Patrini R., Sanfilippo D., Migliavacca G., 2008. Fundamental investigations on di-methyl ether (DME)as LPG substitute or make-up for domestic uses. Fuel Processing Technology, Vol. 89, Issue 12.
• Nagy S., Olajossy A., Siemek J., 2004. Analysis of Usefulness of Sume Algorithms for Steady State Simulation in theLoop Gas Networks. Archives of Mining Sciences, Vol. 49, No 2.
• Qin W., Egolfopoulos F.N., Tsotsis T.T., 2001. Fundamental and environment aspects of landfill gas utilization for powergeneration. Chem. Eng. J. 82.
• Qin W., Egolfopoulos F.N., Tsotsis T.T., 1999. A detailed study of the combustion characteristics of landfill gas. WSS/CI 1999 Fall Meeting 1999:99F-033.
• Rallis C.J., Garforth A.M., 1980. The determination of laminar burning velocity. Prog. Energy & Combust. Sci., 6.
• Ruffcorn S., Feinberg K., 2001. Propane - air standby systems: gas energy uninterrupted. EsMagazine.
• Technical Report Page 5.1 Title: 2007. Annual Technical Report to TransCanada Pipe Lines Ltd. TR 2103 5.0 Gas Interchangeability Program. NOVA Chemicals. (2007).
• Williams T.A., 2006. Technical background and Issues of Gas Interchangeability. AGA Staff Paper.
• White Paper on Natural Gas Interchangeability and Non-Combustion End Use. NGC+ Interchangeability Work Group. February 28. (2005).
• PN-C-04752:2002 Gaz ziemny. Jakość gazu w sieci przesyłowej.
• PN-C-04753:2002 Gaz ziemny. Jakość gazu dostarczanego odbiorcom z sieci rozdzielczej.