.第29卷第5期吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報Vol.29 No.52012年10月Journal of Jilin Institute of Architecture & Civil EngineeringOct. 2012民用燃具對天然氣轉(zhuǎn)換的適應(yīng)性趙磊(吉林建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院,長春130118)摘要:采用華白數(shù)與韋弗指數(shù)相結(jié)合的方法判斷燃?xì)饣Q性,計算轉(zhuǎn)換天然氣后燃具的噴嘴直徑和一次空氣系數(shù)，分析了燃具轉(zhuǎn)換天然氣后的燃燒特性.關(guān)鍵詞:互換性;華白數(shù);韋弗指數(shù);燃具;燃燒特性中圖分類號:TU 996文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1009 -0185(2012)05 -0023 -04The Adaptability of Gas Range in Natural Gas ConversionZHAO Lei(School of Municipal and Enuironmental Engineering, Jilin Insitute of Architecture and Ciwil Engineering Institute,Changchun, China 130118)Abstract: Use the method which wobbe index and weaver index unifies to judg the gas interchangeability. By calcu-lating the nozle diameter and primary air factor of the gas range should be adjusted to convert natural gas, and com-bustion characteristics after the conversion of natural gas are analyzed.Keywords: interchangeability; wobbe index; weaver index; burner; combustion characteristics天然氣作為--種高效清潔的能源已在世界各國和我國的許多地區(qū)得到廣泛地應(yīng)用.吉林省燃?xì)庥扇斯っ簹馄鸩?歷經(jīng)80余年的發(fā)展,已形成多種氣源并存的格局.隨著省內(nèi)天然氣勘探開發(fā)規(guī)模的加大，各地正在或?qū)⒁_展天然氣轉(zhuǎn)換的工作.不同氣源成分不同,灶具的額定壓力不同，如果轉(zhuǎn)換天然氣后同- -燃具仍能保證有相近的熱負(fù)荷,火焰穩(wěn)定,燃燒完全,點火可靠，就說明天然氣與原有氣源具有互換性.否則不具有互換性,需要對燃具進(jìn)行調(diào)整或改造.1互 換性的判斷判斷燃?xì)馐欠窬哂谢Q性的方法很多,基本上是在試驗的基礎(chǔ)上得到的判定指數(shù).華白數(shù)是簡單而有效的判定指標(biāo),通常兩種燃?xì)饣Q時華白數(shù)的變化不能大于土10% .但華白數(shù)只能反映熱負(fù)荷的變化,無法描述燃燒現(xiàn)象,可以采用A.C.A指數(shù)或韋弗指數(shù)進(jìn)行補充A.C.A指數(shù)包括脫火指數(shù)、回火指數(shù)、黃焰指數(shù);韋弗指數(shù)包括熱負(fù)荷指數(shù)引射指數(shù)、脫火指數(shù)、回火指數(shù)CO生成指數(shù).后者比前者更全面、更嚴(yán)格.下面采用華白數(shù)與韋弗指數(shù)相結(jié)合的方法,對吉林省內(nèi)現(xiàn)有燃?xì)鈿庠磁c天然氣的互換性進(jìn)行判斷.(1)華白數(shù)川w=二(1)式中，W為華白數(shù);H為燃?xì)獾臒嶂? MJ/Nm' ;s為燃?xì)獾南鄬γ芏?(2)熱負(fù)荷指數(shù)川J=n(2)H。N s,式中，JH為熱負(fù)荷指數(shù);下標(biāo)。為基準(zhǔn)氣;下標(biāo)，為置換氣.收稿日期:2012 -07-18.作者簡介;趙磊( 1969-),女,吉林省長春市人，高級工程師.24吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報第29卷(3)引射空氣指數(shù)”J=(3)式中, J為引射空氣指數(shù); V。為理論空氣量,m2/m'.D(4)回火指數(shù)川Jp=D-1.4J, +0.4(4)式中, Jp為引射空氣指數(shù);D為火焰?zhèn)鞑ニ俣戎笖?shù), m'/m'.(5)脫火指數(shù)川J=s.D.1-Y(5)D. 1 -Y(0)。式中,J為引射空氣指數(shù);y(.)為燃?xì)庵醒鯕獾捏w積分?jǐn)?shù).。R(6) CO生成指數(shù)[1]J =J-0.3662- 0.634 .(6)R。式中,J為Co生成指數(shù); R為燃?xì)庵袣湓訑?shù)與碳原子數(shù)的比值.N,- N&(7)黃焰指數(shù)"Jy =J+110--1(7)式中，Jr為黃焰指數(shù);N為每100個燃?xì)夥肿尤紵龝r析出的碳原子數(shù).目前，吉林省內(nèi)的主要氣源有人工煤氣,如長春、通化;液化石油氣摻混空氣,如梅河口、延吉,這兩個城市采用的液化石油氣與空氣的混氣比例分別是1:2.7和1:1;天然氣和液化石油氣等表1、表2為0 C,101.325 kPa下各氣源的組成及燃燒特性,表1中天然氣采用長嶺天然氣組分,人工煤氣采用長春市焦?fàn)t煤氣組分.表1公氣源的組分組分(容積%)氣源名稱HCH4 C2H。C,Hg_ C.H1o CHp NCO2SH2液化石油氣370人工煤氣59.5 25. 5.23.59 0.4 2. 4160.4液化石油氣混空LPG: AlR=1:2.7)7.7 1858.7 15.6液化石油氣混空(IPG: AIR=1:1)39.510.5天然氣95.87 20. 310.13 0.10.421.17表2各氣源的燃燒特性液化石油氣混空(LPG: AIR =1:2.7)(LPC: AIR=1:1)燃?xì)忸悇e7R612T低熱值H;/(MJ .m~3)114.5317.84 .29.4457.2636. 31高熱值H,/(MJ.m-3)124. 1020.1531.862.0540.26相對比重s1.93 .0.341.241.460.59理論空氣量V。/(m’●m-3)28. 814. 3613.909.62華白數(shù)W/(MJ.m-3)82.4430. 39.26.4847.3447.48燃燒勢CP43.19122. 8632.1039.5739.59額定工作壓力/Pa2 8001 0002 000燃燒速度S。"*/(m.s-"')0.390.37黃焰界限a'0.510.460.490.23通過華白數(shù)進(jìn)行判定,除了液化石油氣混空氣(混氣比為1: 1)的華白數(shù)符合要求外,其它氣源與天然氣均不具有互換性,即燃具需要調(diào)整和改造.以液化石油氣混空氣(混氣比為1:1)作為基準(zhǔn)氣,天然氣作為置換氣,計算韋弗指數(shù)進(jìn)-步進(jìn)行判斷,韋弗指數(shù)計算結(jié)果見表3.從表3可以看出CO生成指數(shù)不合格,而且引射指數(shù)大于1,說明轉(zhuǎn)換后不完全燃燒的傾向增加了.這是因為燃具熱負(fù)荷與華白數(shù)成正比,一次空氣系數(shù)與華白數(shù)成反比，因此,轉(zhuǎn)換天然氣后，燃具熱負(fù)荷增大,一第5期趙磊:民用燃具對天然 氣轉(zhuǎn)換的適應(yīng)性25次空氣系數(shù)減小，這兩個因素都會使得燃具運行時,不完全燃燒的可能性增加.此外,由于天然氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊腿紵龝r火焰拉長,也使產(chǎn)生不完全燃燒的可能性增加,即煙氣中CO的含量會有所提高.表3韋弗指數(shù)計算結(jié)果指數(shù)名稱熱負(fù)荷因數(shù)引射因數(shù)回火指數(shù)脫火指數(shù)CO生成指數(shù)黃焰指數(shù)計算值1.091.070.110.09允許值0.95-1.05<0.08>0. 64<<0. 142燃燒 器的調(diào)整和改造民用燃具基本上采用大氣式燃燒器,主要組成部分為燃燒器,包括引射器、噴嘴、燃燒室及火蓋.通常燃燒器經(jīng)過調(diào)整或改造,可適合天然氣的正常燃燒.(1)燃?xì)鈬娮?燃具熱負(fù)荷與噴嘴直徑存在以下關(guān)系":最=0.0035ud.2.衛(wèi)(8)式中，Q為燃具熱負(fù)荷, MJ/h; dg為噴嘴直徑, mm; H為燃?xì)獾蜔嶂?MJ/m' ;μ為噴嘴流量系數(shù),取0.8;p為燃具的額定工作壓力(Pa).以熱負(fù)荷3.0 kW( 10.8 MJ/h)計算各氣源噴嘴直徑:液化石油氣為0. 94 mm,人工煤氣為2. 0 mm,液化石油氣混空氣(混氣比為1:2.7)為1. 80,液化石油氣混空氣(混氣比為1:1)為1.35,天然氣為1. 35.從以上數(shù)據(jù)可以看出,人工煤氣與天然氣相差最大,液化石油氣混空氣(1:1)與天然氣幾乎相等.因此,天然氣轉(zhuǎn)換后,除了液化石油氣混空氣(混氣比為1:1) ,其它氣源的燃?xì)鈬娮炀鶓?yīng)更換.(2)引射器.如果氣源轉(zhuǎn)換后,燃具的引射器及頭部不做任何改變，即喉管面積F、火孔總面積F。引射器及頭部的能量損失系數(shù)K,K,及噴嘴的流量系數(shù)μ不變,燃燒器的常數(shù)C值將保持不變常數(shù)C計算公式如下叫:L(1 +u)(1 +us)5_ 0.92F,μ=C(9)pK+KF2(10)m，sF=F(11)式中, L。為燃?xì)饬髁? m'/h; s為燃?xì)庀鄬γ芏? p為燃?xì)鈮毫?Pa; u為引射器質(zhì)量引射系數(shù),即空氣的質(zhì)量流量與燃?xì)獾馁|(zhì)量流量之比;F為喉管面積,mm2;F,為火孔總面積,mm?;F.為燃燒器參數(shù);K為引射器能量損失系數(shù);K;為頭部能量損失系數(shù);μ為噴嘴的流量系數(shù).常數(shù)c與燃燒器的幾何尺寸及阻力特性有關(guān),而與噴嘴的直徑無關(guān).計算轉(zhuǎn)換天然氣后的一次空氣系數(shù)如下:液化石油氣為0.72,人工煤氣為0. 56,液化石油氣混空氣(混氣比為1:2. 7)為0.45 ,液化石油氣混空氣(混氣比為1:1)為0.55 ,均符合一次空氣系數(shù)范圍為0. 45 ~0. 75的要求.3燃燒特性分析燃具的運行工況取決于燃?xì)獾娜紵匦?、火孔熱強度? -次空氣系數(shù)通常以一-次空氣系數(shù)為橫坐標(biāo)，火孔熱強度為縱坐標(biāo)繪制燃燒特性曲線圖.從圖1中可以看出,燃?xì)怆x焰、回火、黃焰和不完全燃燒的傾向性及燃具的工作運行范圍.只有當(dāng)燃具的工作運行點落在特性曲線范圍之內(nèi)時,才能保證良好的燃燒工況.因.為液化石油氣混空氣的燃燒速度和黃焰極限一次空氣系數(shù)與液化石油氣接近,故本文僅分析液化石油氣、人工煤氣、天然氣3種氣源.(1)回火傾向性.火焰?zhèn)鞑ニ?度越快,回火傾向性越大.從表2可以看出人工煤氣和液化石油氣的燃燒速度均高于天然氣,因此人工煤氣和液化石油氣的回火曲線位置要比天然氣要高;26吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報第29卷(2)黃焰傾向性燃?xì)庵袩N分子中 C原子數(shù)越大,燃燒時越易析碳,形成黃焰.從表2也可看出天然氣的黃焰極限一次空氣系數(shù)比液化氣小，比人工煤氣大;(3) CO 極限，民用燃具一般采用大氣式燃燒方式, 火焰外錐高度的經(jīng)驗計算公式為":ho=0.86nn,sf,9pEx 103(12)式中，h為火焰外錐高度, mm; n為火孔排數(shù); s為火孔間距修整系數(shù);f,為單個火孔面積,mm2 ;q,為火孔熱強度,kW/mm2 ; d,為火孔直徑,mm; n為然氣性質(zhì)對外錐高度的影響系數(shù),液化氣n,=1.08 ,天然氣n:=1.0,人工煤氣n =0.5 ~0.78.燃具轉(zhuǎn)換天然氣后,保持熱負(fù)荷不變,火孔尺寸不變,外焰高度正比于系數(shù)n,因此天然氣外焰高度比液化石油氣低,但比人工煤氣高.在熱交換系統(tǒng)保持不變的前提下,高的火CD極限曲線_焰必然導(dǎo)致煙氣中的CO值偏大.(4)離焰傾向性.有關(guān)實驗及其得出的經(jīng)驗公式表明,在相同的火孔熱強度下,天然氣的離焰一次空氣系數(shù)比液化石油氣大,比人工煤氣小21.3種氣源燃燒特性見圖1.唇一般燃具初調(diào)試點位于 4條燃燒特性曲線的中心.轉(zhuǎn)換天然氣后,火孔熱強度不變,- -次空氣系數(shù)經(jīng)調(diào)整后變化很小,所以調(diào)整后運行點位置變化也不大.液化石油氣轉(zhuǎn)換天然氣后穩(wěn)定范圍擴大,不會出現(xiàn)回火、脫火、黃園火根限焰,排煙的CO含量增加等情況.而人工煤氣轉(zhuǎn)換天然氣情況有所不同,如0一次空氣系數(shù)。果初調(diào)點選擇不當(dāng),改用天然氣后可能出現(xiàn)脫火、黃焰,排煙中CO含量增加，但不會出現(xiàn)回火.圖1不同氣源的燃燒特性曲線圖4結(jié)論燃具的燃燒器是按- -定熱負(fù)荷、 一定成分和壓力的燃?xì)?即基準(zhǔn)氣)來設(shè)計的.燃?xì)獬煞趾蛪毫ψ兓瘯r，燃具的- -次空氣系數(shù)、火焰結(jié)構(gòu)、燃燒穩(wěn)定性、煙氣中CO含量等相應(yīng)發(fā)生改變.不同氣源轉(zhuǎn)換天然氣后燃具應(yīng)采取不同的改造和調(diào)整方法.(1)液化石油氣混空氣(混氣比為11)轉(zhuǎn)換天然氣后燃?xì)鈬娮觳恍韪脑?但- -次空氣系數(shù)改變,不完全燃燒的可能性增加,即煙氣中CO的含量會有所提高;(2) 液化石油氣、液化石油氣混空氣(混氣比為12.7)及人工煤氣轉(zhuǎn)換天然氣后一次空氣系數(shù)改變,同.時要更換燃?xì)鈬娮?(3)液化石油氣轉(zhuǎn)換天然氣后- -般不會產(chǎn)生脫火、回火、黃焰、CO增加的現(xiàn)象.對于人工煤氣轉(zhuǎn)換天然氣,要注意基準(zhǔn)氣燃具初調(diào)點的位置,避免發(fā)生脫火、黃焰、CO增加的現(xiàn)象.本文只是定性分析了吉林省內(nèi)幾種典型氣源，由于氣源成分的不確定性及民用燃具的多樣性,所以實際轉(zhuǎn)換開始前,應(yīng)進(jìn)行大量實驗研究以保證轉(zhuǎn)換的順利進(jìn)行.參考文獻(xiàn)[1]同濟大學(xué),重慶大學(xué),哈爾濱工業(yè)大學(xué),北京建筑工程學(xué)院燃?xì)馊紵c應(yīng)用(第四版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011 :66 -226.[2]姜正候.燃?xì)夤こ碳夹g(shù)手冊[M].上海: 同濟大學(xué)出版社1998:276 -278.[3]李正偉,段常費,聶廷哲.天然氣轉(zhuǎn)換中LPG灶具改造的試驗研究[J].燃?xì)馀c熱力,2006 ,26(6) :21 -24.[4]陳明,楊慶泉,全惠君 ,錢磊華.天然氣轉(zhuǎn)換時有關(guān)燃具的問題與對策[J].上海煤氣,2004,24(2) :25 -29.