民用燃具对天然气转换的适应性

赵 磊

(吉林建筑工程学院市政与环境工程学院，长春 130118)

天然气作为一种高效、清洁的能源已在世界各国和我国的许多地区得到广泛地应用.吉林省燃气由人工煤气起步，历经80余年的发展，已形成多种气源并存的格局.随着省内天然气勘探开发规模的加大，各地正在或将要开展天然气转换的工作.不同气源成分不同，灶具的额定压力不同，如果转换天然气后同一燃具仍能保证有相近的热负荷，火焰稳定，燃烧完全，点火可靠，就说明天然气与原有气源具有互换性.否则不具有互换性，需要对燃具进行调整或改造.

1 互换性的判断

判断燃气是否具有互换性的方法很多，基本上是在试验的基础上得到的判定指数.华白数是简单而有效的判定指标，通常两种燃气互换时华白数的变化不能大于±10%.但华白数只能反映热负荷的变化，无法描述燃烧现象，可以采用A.G.A指数或韦弗指数进行补充.A.G.A指数包括脱火指数、回火指数、黄焰指数;韦弗指数包括热负荷指数、引射指数、脱火指数、回火指数、CO生成指数.后者比前者更全面、更严格.下面采用华白数与韦弗指数相结合的方法，对吉林省内现有燃气气源与天然气的互换性进行判断.

式中，W为华白数;H为燃气的热值，MJ/Nm3;s为燃气的相对密度.

式中，JH为热负荷指数;下标a为基准气;下标s为置换气.

式中，JA为引射空气指数;V0为理论空气量，m3/m3.

式中，JF为引射空气指数;D为火焰传播速度指数，m3/m3.

式中，JL为引射空气指数;y(o)为燃气中氧气的体积分数.

式中，Ji为CO生成指数;R为燃气中氢原子数与碳原子数的比值.

式中，JY为黄焰指数;N为每100个燃气分子燃烧时析出的碳原子数.

目前，吉林省内的主要气源有人工煤气，如长春、通化;液化石油气掺混空气，如梅河口、延吉，这两个城市采用的液化石油气与空气的混气比例分别是1∶2.7和1∶1;天然气和液化石油气等.表1、表2为0℃，101.325 kPa下各气源的组成及燃烧特性，表1中天然气采用长岭天然气组分，人工煤气采用长春市焦炉煤气组分.

表1 各气源的组分

表2 各气源的燃烧特性

通过华白数进行判定，除了液化石油气混空气(混气比为1∶1)的华白数符合要求外，其它气源与天然气均不具有互换性，即燃具需要调整和改造.以液化石油气混空气(混气比为1∶1)作为基准气，天然气作为置换气，计算韦弗指数进一步进行判断，韦弗指数计算结果见表3.

从表3可以看出CO生成指数不合格，而且引射指数大于1，说明转换后不完全燃烧的倾向增加了.这是因为燃具热负荷与华白数成正比，一次空气系数与华白数成反比，因此，转换天然气后，燃具热负荷增大，一次空气系数减小，这两个因素都会使得燃具运行时，不完全燃烧的可能性增加.此外，由于天然气的火焰传播速度低、燃烧时火焰拉长，也使产生不完全燃烧的可能性增加，即烟气中CO的含量会有所提高.

表3 韦弗指数计算结果

2 燃烧器的调整和改造

民用燃具基本上采用大气式燃烧器，主要组成部分为燃烧器，包括引射器﹑喷嘴﹑燃烧室及火盖.通常燃烧器经过调整或改造，可适合天然气的正常燃烧.

(1)燃气喷嘴.燃具热负荷与喷嘴直径存在以下关系［1］:

式中，Q为燃具热负荷，MJ/h;dg为喷嘴直径，mm;Hl为燃气低热值，MJ/m3;μ为喷嘴流量系数，取0.8;p为燃具的额定工作压力(Pa).以热负荷3.0 kW(10.8 MJ/h)计算各气源喷嘴直径:液化石油气为0.94 mm，人工煤气为2.0 mm，液化石油气混空气(混气比为1∶2.7)为1.80，液化石油气混空气(混气比为1∶1)为1.35，天然气为1.35.从以上数据可以看出，人工煤气与天然气相差最大，液化石油气混空气(1∶1)与天然气几乎相等.因此，天然气转换后，除了液化石油气混空气(混气比为1∶1)，其它气源的燃气喷嘴均应更换.

(2)引射器.如果气源转换后，燃具的引射器及头部不做任何改变，即喉管面积Ft、火孔总面积Fp、引射器及头部的能量损失系数K，K1及喷嘴的流量系数μ不变，燃烧器的常数C值将保持不变.常数C计算公式如下［1］:

式中，Lg为燃气流量，m3/h;s为燃气相对密度;p为燃气压力，Pa;u为引射器质量引射系数，即空气的质量流量与燃气的质量流量之比;Ft为喉管面积，mm2;Fp为火孔总面积，mm2;F1为燃烧器参数;K为引射器能量损失系数;K1为头部能量损失系数;μ为喷嘴的流量系数.

常数C与燃烧器的几何尺寸及阻力特性有关，而与喷嘴的直径无关.计算转换天然气后的一次空气系数如下:液化石油气为0.72，人工煤气为0.56，液化石油气混空气(混气比为1∶2.7)为0.45，液化石油气混空气(混气比为1∶1)为0.55，均符合一次空气系数范围为0.45～0.75的要求.

3 燃烧特性分析

燃具的运行工况取决于燃气的燃烧特性、火孔热强度和一次空气系数.通常以一次空气系数为横坐标，火孔热强度为纵坐标绘制燃烧特性曲线图.从图1中可以看出，燃气离焰、回火、黄焰和不完全燃烧的倾向性及燃具的工作运行范围.只有当燃具的工作运行点落在特性曲线范围之内时，才能保证良好的燃烧工况.因为液化石油气混空气的燃烧速度和黄焰极限一次空气系数与液化石油气接近，故本文仅分析液化石油气、人工煤气、天然气3种气源.

(1)回火倾向性. 火焰传播速度越快，回火倾向性越大.从表2可以看出人工煤气和液化石油气的燃烧速度均高于天然气，因此人工煤气和液化石油气的回火曲线位置要比天然气要高;

(2)黄焰倾向性. 燃气中烃分子中C原子数越大，燃烧时越易析碳，形成黄焰.从表2也可看出天然气的黄焰极限一次空气系数比液化气小，比人工煤气大;

(3)CO极限. 民用燃具一般采用大气式燃烧方式，火焰外锥高度的经验计算公式为［1］:

式中，h为火焰外锥高度，mm;n为火孔排数;s为火孔间距修整系数;fp为单个火孔面积，mm2;qp为火孔热强度，kW/mm2;dp为火孔直径，mm;n1为然气性质对外锥高度的影响系数，液化气n1=1.08，天然气n1=1.0，人工煤气 n1=0.5 ～0.78.

燃具转换天然气后，保持热负荷不变，火孔尺寸不变，外焰高度正比于系数n1，因此天然气外焰高度比液化石油气低，但比人工煤气高.在热交换系统保持不变的前提下，高的火焰必然导致烟气中的CO值偏大.

(4)离焰倾向性. 有关实验及其得出的经验公式表明，在相同的火孔热强度下，天然气的离焰一次空气系数比液化石油气大，比人工煤气小［2］.3 种气源燃烧特性见图 1.

一般燃具初调试点位于4条燃烧特性曲线的中心.转换天然气后，火孔热强度不变，一次空气系数经调整后变化很小，所以调整后运行点位置变化也不大.液化石油气转换天然气后稳定范围扩大，不会出现回火﹑脱火﹑黄焰，排烟的CO含量增加等情况.而人工煤气转换天然气情况有所不同，如果初调点选择不当，改用天然气后可能出现脱火﹑黄焰，排烟中CO含量增加，但不会出现回火.

图1 不同气源的燃烧特性曲线图

4 结论

燃具的燃烧器是按一定热负荷﹑一定成分和压力的燃气(即基准气)来设计的.燃气成分和压力变化时，燃具的一次空气系数﹑火焰结构﹑燃烧稳定性﹑烟气中CO含量等相应发生改变.不同气源转换天然气后燃具应采取不同的改造和调整方法.

(1)液化石油气混空气(混气比为11)转换天然气后燃气喷嘴不需改造，但一次空气系数改变，不完全燃烧的可能性增加，即烟气中CO的含量会有所提高;

(2)液化石油气、液化石油气混空气(混气比为12.7)及人工煤气转换天然气后一次空气系数改变，同时要更换燃气喷嘴;

(3)液化石油气转换天然气后一般不会产生脱火、回火、黄焰、CO增加的现象.对于人工煤气转换天然气，要注意基准气燃具初调点的位置，避免发生脱火、黄焰、CO增加的现象.

本文只是定性分析了吉林省内几种典型气源，由于气源成分的不确定性及民用燃具的多样性，所以实际转换开始前，应进行大量实验研究以保证转换的顺利进行.

［1］同济大学，重庆大学，哈尔滨工业大学，北京建筑工程学院.燃气燃烧与应用(第四版)［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011:66－226.

［2］姜正候.燃气工程技术手册［M］.上海:同济大学出版社，1998:276－278.

［3］李正伟，段常贵，聂廷哲.天然气转换中LPG灶具改造的试验研究［J］.燃气与热力，2006，26(6):21－24.

［4］陈 明，杨庆泉，全惠君，钱磊华.天然气转换时有关燃具的问题与对策［J］.上海煤气，2004，24(2):25－29.