張楊竣 高文學(xué) 王 啟 劉博嚴(yán) 陳 程

天然氣大氣式灶具的CO排放特性預(yù)測(cè)

張楊竣1,2高文學(xué)2王 啟2劉博嚴(yán)2陳 程2

1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 2.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司

張楊竣等. 天然氣大氣式灶具的CO排放特性預(yù)測(cè). 天然氣工業(yè), 2016, 36(11): 111-118.

CO是城市燃?xì)馊紵^(guò)程中生成的主要污染物之一，必須對(duì)其排放量進(jìn)行嚴(yán)格的控制。隨著我國(guó)氣源多樣化格局的形成，不同組分的天然氣在同一管網(wǎng)中運(yùn)輸，可能會(huì)引發(fā)末端設(shè)備的互換性問(wèn)題，造成CO排放量的不穩(wěn)定。為此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了天然氣組分與大氣式灶具CO排放特性之間的關(guān)系，并提出CO排放特性的預(yù)測(cè)公式。實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)階段：①在設(shè)計(jì)的大氣式基準(zhǔn)燃燒器上，測(cè)試了2 kPa條件下CH4摻混單一組分時(shí)CO的排放特性，確定了C2H6、C3H8、C4H10、N2和H2各自對(duì)CO排放量的影響；②進(jìn)行以CH4為主要成分的多組分隨機(jī)摻混配氣CO的排放實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元線性回歸分析，確定CO排放量與天然氣各組分含量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；③選取3臺(tái)結(jié)構(gòu)型式具有代表性的實(shí)際天然氣灶具，進(jìn)行不同組分天然氣的CO排放特性測(cè)試，驗(yàn)證提出的數(shù)學(xué)關(guān)系式的通用性。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)回歸得到的計(jì)算公式具有一定的通用性，可以很好地預(yù)測(cè)天然氣組分變化時(shí)燃燒器的CO排放性能。

天然氣 大氣式灶具 多元線性回歸分析 CO排放 CO排放性能指標(biāo) 預(yù)測(cè) CH4摻混單一組分

CO是城市燃?xì)馊紵^(guò)程中生成的重要污染物之一，危及人體健康，甚至導(dǎo)致死亡，嚴(yán)重威脅著居民的生命安全，必須對(duì)其排放量進(jìn)行嚴(yán)格的控制。而隨著我國(guó)氣源多樣化格局的形成，不同組分的天然氣在同一管網(wǎng)中運(yùn)輸，可能會(huì)引發(fā)末端設(shè)備的互換性問(wèn)題，造成CO排放量的不穩(wěn)定。根據(jù)GB 16410—2007《家用燃?xì)庠罹摺芬?guī)定，煙氣中CO含量（空氣系數(shù)為1）應(yīng)低于500 ppm (1 ppm=1.251 mg/m3，下同)[1]。對(duì)于灶具等小型燃燒器而言，即使燃燒工況發(fā)生微小變化，也會(huì)嚴(yán)重影響煙氣排放[2]。因此，有必要對(duì)燃?xì)庠罹逤O排放特性開(kāi)展研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)CO排放特性影響因素的研究主要集中在燃具結(jié)構(gòu)[3-8]、燃?xì)饨M分[9-12]、燃燒方式[13-16]等方面。但針對(duì)天然氣組分波動(dòng)大、氣源類別多的情況，尚未形成用于預(yù)測(cè)天然氣組分變化時(shí)燃燒器CO排放特性變化趨勢(shì)的有效方法。只有美國(guó)勞倫斯實(shí)驗(yàn)室在2007年基于不同LNG的CO排放數(shù)據(jù)，提出了CO與華白數(shù)之間的數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[17]，但其通用性尚未得到證實(shí)。為此，筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸統(tǒng)計(jì)分析，研究天然氣大氣式灶具CO排放特性與天然氣組分的關(guān)系，提出當(dāng)天然氣組分發(fā)生變化時(shí)，可以普遍適用于功率在2～6 kW之間的大氣式灶具的CO排放特性預(yù)測(cè)方法。

1 實(shí)驗(yàn)方法

天然氣組分以CH4等烷烴組分為主，烷烴中碳原子不完全燃燒后會(huì)產(chǎn)生CO。不同烷烴組分中碳原子結(jié)構(gòu)不同、烷烴含量不同，將會(huì)直接影響最終燃燒產(chǎn)物中CO的含量。筆者分別進(jìn)行了3個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)測(cè)試：第一階段，在設(shè)計(jì)的大氣式基準(zhǔn)燃燒器上，測(cè)試CH4摻混另一種組分的兩組分（CH4+x）的CO排放特性，混合配制得到的氣體屬于12T天然氣范疇，確定各天然氣組分與CO排放量之間的變化關(guān)系，各組分的變化范圍如表1所示；第二階段，進(jìn)行以CH4為主要成分的多組分隨機(jī)摻混配氣CO排放實(shí)驗(yàn)測(cè)試，所配混合氣屬于12T天然氣范圍，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元線性回歸分析，確定CO與天然氣各組分之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；第三階段，選取3臺(tái)結(jié)構(gòu)型式具有代表性的實(shí)際天然氣灶具，進(jìn)行不同天然氣下的CO排放特性測(cè)試，驗(yàn)證提出的數(shù)學(xué)關(guān)系式的通用性。

第一階段和第二階段實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，包括配氣原料氣、自動(dòng)連續(xù)配氣系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)質(zhì)量流量控制器（MFC）自動(dòng)連續(xù)配氣系統(tǒng)，將各單一原料氣按一定比例混合后，形成一定組分的測(cè)試天然氣，用于CO排放量測(cè)試。配氣原料氣純度分別為99.9% CH4、99.5% C2H6、99.9% C3H8、99.2% C4H10、99.9% N2和99.9% H2。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，使用管道天然氣預(yù)熱基準(zhǔn)燃燒器10～15 min，待燃燒器頭部溫度不再出現(xiàn)顯著波動(dòng)后，即認(rèn)定燃燒器已進(jìn)入穩(wěn)定工況，隨即切換閥門(mén)，進(jìn)行混合試驗(yàn)氣實(shí)驗(yàn)測(cè)試。設(shè)定自動(dòng)連續(xù)配氣系統(tǒng)各組分需要的比例，并開(kāi)始配制混合氣，通入基準(zhǔn)燃燒器中燃燒，燃燒3～5 min后，從測(cè)試氣體取樣口抽取氣體樣本進(jìn)行色譜分析。調(diào)節(jié)燃燒器進(jìn)口壓力為2 kPa，根據(jù)GB 16410—2007《家用燃?xì)庠罹摺窚y(cè)試要求進(jìn)行CO排放測(cè)試，所使用煙氣分析儀為ecom-D型便攜式煙氣分析儀。重新設(shè)定下一組混合氣的組分比例，進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程。

表1 兩組分（CH4+x）配氣各單一組分配氣變化范圍表

圖1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)燃燒器實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

第三階段實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)選擇的3臺(tái)結(jié)構(gòu)型式具有代表性的家用天然氣灶具，其頭部火孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。3個(gè)樣本的額定熱負(fù)荷分別為3.8 kW（樣本一）、3.8 kW（樣本二）和3.4 kW（樣本三）。實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法根據(jù)GB 16410—2007《家用燃?xì)庠罹摺芬?guī)定進(jìn)行。待煙氣數(shù)值穩(wěn)定后，10 s一間隔自動(dòng)記錄一組煙氣數(shù)據(jù)，一共進(jìn)行10 min的煙氣數(shù)值記錄。從測(cè)試氣體取樣口抽取氣體樣本進(jìn)行色譜分析，確定最終測(cè)試天然氣組分。

根據(jù)GB 16410—2007《家用燃?xì)庠罹摺芬?guī)定，采用環(huán)形煙氣取樣器抽取煙氣進(jìn)行CO含量檢測(cè)時(shí)，必然會(huì)有部分空氣混入煙氣樣中。為了使檢測(cè)結(jié)果具有可比性，將CO含量折算到空氣系數(shù)α=1時(shí)的含量COα=1，本文主要采用O2含量進(jìn)行COα=1修正計(jì)算：

圖2 實(shí)際天然氣灶具實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

圖3 實(shí)驗(yàn)選用的實(shí)際天然氣灶具樣本圖

2 結(jié)果與討論

2.1 燃?xì)饨M分與CO排放的關(guān)系

筆者主要是研究高華白數(shù)在天然氣范圍（45.67～54.78 MJ/m3）的燃?xì)?，其組分變化對(duì)CO排放量的影響趨勢(shì)和規(guī)律。城鎮(zhèn)燃?xì)獾闹饕煞质荂H4，同時(shí)還含有少量的C2H6、C3H8、C4H10、N2和H2。為了分析燃?xì)饨M分變化對(duì)CO排放量的影響，使用CH4分別單獨(dú)摻混C2H6、C3H8、C4H10、N2和H2作為試驗(yàn)氣，減少混合氣中CH4成分，相應(yīng)地以相同比例增加其他成分，在相同供氣壓力、相同噴嘴直徑條件下，對(duì)兩組分試驗(yàn)氣（CH4+x）在基準(zhǔn)燃燒器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析組分變化對(duì)CO排放量的影響。

從圖4結(jié)果可知，在相同供氣壓力條件下，CH4摻混其他3種烷烴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，隨著烷烴含量的增加，混合氣燃燒后CO排放量增加。從C2H6、C3H8和C4H10單獨(dú)摻混氣的CO排放量變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，3種烷烴對(duì)CO排放量的影響程度為C4H10＞ C3H8＞C2H6；CH4摻混N2和H2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，隨著N2和H2比例在混合氣中不斷增加，混合氣燃燒后CO排放量減少，N2的降低趨勢(shì)明顯大于H2的作用。由碳?xì)浠衔锶紵磻?yīng)方程和碳元素守恒定律可知，隨著碳?xì)浠衔镏刑荚氐脑黾?，生成物中CO含量增多；而增加混合氣中氮?dú)饨M分含量，混合氣的華白數(shù)降低，一次空氣系數(shù)α'增大，燃燒器的火孔熱強(qiáng)度下降，CO排放量減小。

圖4 天然氣各組分不同摻混比例對(duì)CO排放量的影響變化趨勢(shì)圖

2.2 多元線性回歸分析

大氣式灶具燃燒生成的CO量受多方面因素影響。灶具在開(kāi)放空間中燃燒，燃燒過(guò)程并不十分穩(wěn)定，極容易受周圍環(huán)境的影響。因此，天然氣大氣式灶具的CO排放量存在一定的隨機(jī)波動(dòng)性。為了使形成的CO排放性能指標(biāo)與天然氣組分的數(shù)學(xué)關(guān)系式具有通用性，消除燃燒器結(jié)構(gòu)造成的限制，筆者采取以下方式來(lái)定義天然氣部分預(yù)混燃燒CO排放特性：測(cè)試燃燒器在某組分天然氣下的CO排放量，并將其與該燃燒器在100% CH4下的CO排放量進(jìn)行比較，以兩者的比值乘以100作為該燃燒器的CO排放性能指標(biāo)COp，即

根據(jù)圖4分析情況，定義天然氣部分預(yù)混燃燒CO排放性能與天然氣組分之間的多元線性回歸分析數(shù)學(xué)模型為：

假設(shè)混合氣組分為100% CH4，其他組分含量均為0，則公式（3）可寫(xiě)為：

因此，公式（3）中CH4的回歸系數(shù)β1=1。

第二階段實(shí)驗(yàn)一共進(jìn)行了56種天然氣混合氣配氣實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試得到了56組CO排放量和對(duì)應(yīng)的組分含量數(shù)據(jù)，同時(shí)測(cè)試了基準(zhǔn)燃燒器在100% CH4情況下的CO排放量數(shù)據(jù)。將所得數(shù)據(jù)根據(jù)定義的回歸數(shù)學(xué)模型公式（3）進(jìn)行多元線性回歸分析，得到公式（3）各組分的回歸系數(shù)以及各系數(shù)對(duì)應(yīng)的參數(shù)估計(jì)與檢驗(yàn)情況（表2）。其中，各組分回歸系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差均小于1，該值越小，表明回歸系數(shù)的精度越高；各組分回歸系數(shù)的p值均小于0.000 01，即各回歸系數(shù)置信度達(dá)到99.999%；同時(shí)，給出了各組分回歸系數(shù)以95%為置信區(qū)間的上下限。

表2 各組分多元線性回歸參數(shù)估計(jì)及檢驗(yàn)表

通過(guò)多元線性回歸分析，得到的回歸方程計(jì)算預(yù)測(cè)COp值與實(shí)測(cè)COp值及殘差情況（圖5）?；貧w方程計(jì)算得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值基本保持在同一水平，各測(cè)試點(diǎn)殘差均維持在-20～20之間。

對(duì)各回歸統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，其中，回歸分析得到的數(shù)據(jù)之間線性相關(guān)程度的相關(guān)系數(shù)（R）為：

表征回歸方程對(duì)觀測(cè)值擬合程度的擬合優(yōu)度（R2）為：

圖5 回歸分析預(yù)測(cè)COp值與實(shí)測(cè)COp值及殘差分布圖

評(píng)價(jià)回歸方程優(yōu)劣的校正決定系數(shù)（Ra）為：

式中，n表示樣本數(shù)，m表示變量數(shù)。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)測(cè)試情況，n=56，m=5。相關(guān)系數(shù)（R）、擬合優(yōu)度（R2）、校正決定系數(shù)（Ra）值越大，則擬合回歸得到的方程越好。

對(duì)回歸得到各統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行方差分析，預(yù)測(cè)值COp對(duì)其平均值的總偏差——回歸平方和：

實(shí)測(cè)值COp對(duì)預(yù)測(cè)值COp的總偏差——?dú)埐钇椒胶停?/p>

實(shí)測(cè)值COp對(duì)預(yù)測(cè)值COp的均方差：

當(dāng)SSe與SSr比值越小，則擬合回歸效果越好；當(dāng)MSe值越小，則擬合回歸效果越好。綜上分析，對(duì)56組測(cè)試COp值的擬合回歸分析，得到的回歸方程效果極好，即

2.3 實(shí)際樣本驗(yàn)證

第三階段實(shí)驗(yàn)共選擇了3臺(tái)天然氣灶，進(jìn)行了42種隨機(jī)配制天然氣組分的CO排放量實(shí)驗(yàn)測(cè)試，且每種天然氣測(cè)試得到的CO值分別按O2和CO2折算，COp計(jì)算值按如下方式進(jìn)行。

（1）100% CH4的CO排放量取6個(gè)值：最小COα=1,O2,min,CH4，最大COα=1,O2,max,CH4，平均COα=1,O2,ave,CH4；最小COα=1,CO2,min,CH4，最大COα=1,CO2,max,CH4，平均COα=1,CO2,ave,CH4。

（2）測(cè)試氣體情況下，取10 min測(cè)試得到的各組煙氣值：COα=1,O2,i,mix，COα=1,CO2,i,mix，平均COα=1,O2,ave,mix，平均COα=1,CO2,ave,mix。

（3）計(jì)算得到：

分別從COp,O2,mix,i、COp,O2,max,i、COp,O2,ave,i中選取一個(gè)與COp,計(jì)算值最接近的值COp,O2,i；分別從COp,CO2,mix,i、COp,CO2,max,i、COp,CO2,ave,i中選取一個(gè)與COp,計(jì)算值最接近的值COp,CO2,i；將COp,O2,i、COp,CO2,i、COp,O2,ave、COp,CO2,ave與COp,計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析。

樣本一和樣本二實(shí)驗(yàn)測(cè)得的COp,O2,i、COp,CO2,i與COp,計(jì)算值基本保持在同一水平，兩者極為接近（圖6、圖7）。樣本三實(shí)驗(yàn)測(cè)得的COp,O2,i、COp,CO2,i與COp,計(jì)算值存在一定的波動(dòng)，特別是在高烷烴組分含量較高的測(cè)試氣體情況下，存在較大差異（圖8）。3個(gè)樣本的COp,O2,ave、COp,CO2,ave與COp,計(jì)算值趨勢(shì)性雖一致，但前者波動(dòng)較大，比之單組煙氣數(shù)值對(duì)應(yīng)的COp,O2,i、 COp,CO2,i歸一性欠佳。樣本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：天然氣灶具通過(guò)多元線性回歸得到的COp計(jì)算公式可以很好地對(duì)樣本的CO排放情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和說(shuō)明，而紅外天然氣灶具在高烷烴組分天然氣下COp計(jì)算公式并不完全適用；單組煙氣數(shù)值對(duì)應(yīng)的COp,O2,i、COp,CO2,i較之平均煙氣數(shù)值對(duì)應(yīng)的COp,O2,ave、COp,CO2,ave與COp,計(jì)算值更接近。

通過(guò)上述分析，說(shuō)明可以使用多元線性回歸得到的COp計(jì)算公式對(duì)天然氣大氣式灶具在不同天然氣組分下的CO排放量水平進(jìn)行預(yù)測(cè)，具有一定的通用性；但COp計(jì)算公式在預(yù)測(cè)高烷烴天然氣組分的CO排放特性時(shí)不完全適用，計(jì)算值與3個(gè)樣本的實(shí)驗(yàn)測(cè)試值偏差均較大，特別是紅外天然氣灶具。

圖6 樣本一COp計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比圖

圖7 樣本二COp計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比圖

圖8 樣本三COp計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比圖

3 結(jié)論

筆者以城鎮(zhèn)天然氣為實(shí)驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)，配制高華白數(shù)在天然氣范圍（45.67～54.78 MJ/m3）內(nèi)的混合試驗(yàn)氣，并設(shè)計(jì)具有代表性的大氣式基準(zhǔn)燃燒器，實(shí)驗(yàn)確定天然氣大氣式灶具CO排放特性與天然氣各主要組分之間的關(guān)系，通過(guò)多元線性回歸的統(tǒng)計(jì)方法，得到表征CO排放特性的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，用以預(yù)測(cè)天然氣組分發(fā)生變化時(shí)大氣式灶具的CO排放水平。通過(guò)本文的實(shí)驗(yàn)研究分析，主要得到以下結(jié)論：

1) 從天然氣組分因素分析，CH4分別單獨(dú)摻混C2H6、C3H8、C4H10、N2、H2配制兩組分試驗(yàn)氣，在燃?xì)鈮毫S持在2 kPa條件下進(jìn)行CO排放實(shí)驗(yàn)測(cè)試，隨著C2H6、C3H8、C4H10在混合氣中體積比例的增加，CO排放量呈線性增加，對(duì)CO排放量的增加程度C4H10＞C3H8＞C2H6；而隨著N2和H2在混合氣中體積比例的增加，CO排放量減少，減小的作用N2＞H2。

2) 選取56組實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)，采用多元線性回歸統(tǒng)計(jì)方法，分析確定了CO排放特性指標(biāo)COp與天然氣中各組分含量的數(shù)學(xué)關(guān)系；并選取3臺(tái)實(shí)際天然氣灶進(jìn)行不同天然氣組分下的CO排放特性測(cè)試，對(duì)得到的COp計(jì)算公式進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該計(jì)算公式具有一定的通用性，但在預(yù)測(cè)高烷烴天然氣組分的CO排放特性時(shí)不完全適用。

符 號(hào) 說(shuō) 明

α表示空氣系數(shù)，無(wú)量綱；α'表示一次空氣系數(shù)，無(wú)量綱；COα=1表示空氣系數(shù)α=1時(shí)，干煙氣中的CO含量表示煙氣樣中的CO含量表示室內(nèi)空氣中的CO含量表示煙氣樣中的O2含量；COp表示天然氣部分預(yù)混燃燒CO排放性能指標(biāo)，無(wú)量綱；COα=1,mix表示混合氣燃燒后折算到空氣系數(shù)為1時(shí)的CO排放值；COα=1,CH4表示100% CH4燃燒后折算到空氣系數(shù)為1時(shí)的CO排放值；β1、β2、β3、β4、β5、β6分別表示回歸模型中各組分對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù)；CCH4、CC2H6、CC3H8、CC4H10、CN2和CH2分別表示各組分的體積含量；p值表示回歸分析樣本觀察值得出的原假設(shè)可被拒絕的最小顯著性水平；R表示回歸分析自變量與因變量之間線性相關(guān)程度的相關(guān)系數(shù)；X表示各組分測(cè)試值組成的自變量矩陣；Y表示實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的COp值組成的因變量矩陣；R2表示回歸方程對(duì)觀測(cè)值擬合程度的擬合優(yōu)度；Ra表示評(píng)價(jià)回歸方程優(yōu)劣的校正決定系數(shù)；n表示回歸分析樣本數(shù)；m表示回歸分析變量數(shù)；SSr表示回歸平方和；SSe表示殘差平方和；MSe表示均方差；COα=1,O2,min,CH4表示100% CH4測(cè)得按O2折算到空氣系數(shù)α=1時(shí)的最小CO排放值；COα=1,O2,max,CH4表示100% CH4測(cè)得按O2折算到空氣系數(shù)α=1時(shí)的最大CO排放值；COα=1,O2,ave,CH4表示100% CH4測(cè)得按O2折算到空氣系數(shù)α=1時(shí)的平均CO排放值；COα=1,CO2,max,CH4表示100% CH4測(cè)得按CO2折算到空氣系數(shù)α=1時(shí)的最小CO排放值；COα=1,CO2,max,CH4表示100% CH4測(cè)得按CO2折算到空氣系數(shù)α=1時(shí)的最大CO排放值；COα=1,CO2,ave,CH4表示100% CH4測(cè)得按CO2折算到空氣系數(shù)α=1時(shí)的平均CO排放值；COα=1,O2,i,min表示混合氣測(cè)得按O2折算到空氣系數(shù)α=1時(shí)的某組CO排放值；COα=1,CO2,i,min表示混合氣測(cè)得按CO2折算到空氣系數(shù)α=1時(shí)的某組CO排放值；COα=1,O2,ave,min表示混合氣測(cè)得按O2折算到空氣系數(shù)α=1時(shí)的平均CO排放值；COα=1,CO2,ave,min表示混合氣測(cè)得按CO2折算到空氣系數(shù)α=1時(shí)的平均CO排放值；COp,O2,min,i表示COα=1,O2,i,min∶COα=1,O2,min,CH4得到的實(shí)測(cè)混合氣CO排放性能指標(biāo)，無(wú)量綱；COp,O2,max,i表示COα=1,O2,i,min∶COα=1,O2,max,CH4得到的實(shí)測(cè)混合氣CO排放性能指標(biāo)，無(wú)量綱；COp,O2,ave,i表示COα=1,O2,i,min∶COα=1,O2,ave,CH4得到的實(shí)測(cè)混合氣CO排放性能指標(biāo)，無(wú)量綱；COp,CO2,min,i表示COα=1,CO2,i,min∶COα=1,CO2,min,CH4得到的實(shí)測(cè)混合氣CO排放性能指標(biāo)，無(wú)量綱；COp,CO2,max,i表示COα=1,CO2,i,min∶COα=1,CO2,max,CH4得到的實(shí)測(cè)混合氣CO排放性能指標(biāo)，無(wú)量綱；COp,CO2,ave,i表示COα=1,CO2,i,min∶COα=1,CO2,ave,CH4得到的實(shí)測(cè)混合氣CO排放性能指標(biāo)，無(wú)量綱；COp,O2,ave表示COp,O2,ave,mix∶COα=1,O2,ave,CH4得到的實(shí)測(cè)混合氣CO排放性能指標(biāo)，無(wú)量綱；COp,CO2,ave表示COp,CO2,ave,mix∶COα=1,CO2,ave,CH4得到的實(shí)測(cè)混合氣CO排放性能指標(biāo)，無(wú)量綱；COp,計(jì)算值表示根據(jù)混合氣組分按公式（5）計(jì)算得到的混合氣CO排放性能指標(biāo)，無(wú)量綱；COp,O2,i表示從COp,O2,min,i、COp,O2,max,i、COp,O2,ave,i中選取的與COp,計(jì)算值最接近的值，無(wú)量綱；COp,CO2,i表示從COp,CO2,min,i、COp,CO2,max,i、COp,CO2,ave,i中選取的與COp,計(jì)算值最接近的值，無(wú)量綱。

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 家用燃?xì)庠罹遊S]. GB 16410-2007, 2008. General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China. Domestic gas cooking appliances[S]. GB 16410-2007, 2008.

[2] Zhang J, Smith KR, Uma R, Ma Y, Kishore VVN, Lata K, et al. Carbon monoxide from cook stoves in developing countries: 1. Emission factors[J]. Chemosphere—Global Change Science, 1999, 1(1-3): 353-366.

[3] Li HB, Wong TT, Leung CW, Probert SD. Thermal performances and CO emissions of gas-fired cooker-top burners[J]. Applied Energy, 2006, 83(12): 1326-1338.

[4] Hou SS, Lee CY, Lin TH. Efficiency and emissions of a new domestic gas burner with a swirling flame[J]. Energy Conversion and Management, 2007, 48(5): 1401-1410.

[5] Mishra DP. Emission studies of impinging premixed flames[J]. Fuel, 2004, 83(13): 1743-1748.

[6] Makmool U, Jugjai S, Tia S, Vallikul P, Fungtammasan B. Performance and analysis by particle image velocimetry (PIV) of cooker-top burners in Thailand[J]. Energy, 2007, 32(10): 1986-1995.

[7]傅忠誠(chéng), 要大榮, 艾效逸, 潘樹(shù)源. 金屬纖維燃燒器CO和NOx排放特性[J]. 煤氣與熱力, 2006, 26(2): 28-30. Fu Zhongcheng, Yao Darong, Ai Xiaoyi, Pan Shuyuan. Emission characteristics of CO and NOxfrom metal fibre burner[J]. Gas & Heat, 2006, 26(2): 28-30.

[8]劉效洲, 華賁, 耿生斌. 壁掛燃?xì)鉅t污染物排放特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 煤氣與熱力, 2005, 25(2): 5-8. Liu Xiaozhou, Hua Ben, Geng Shengbin. Experimental research on pollutant emission characteristic of wall-type gas heater[J]. Gas & Heat, 2005, 25(2): 5-8.

[9] Ko YC, Lin TH. Emissions and efficiency of a domestic gas stove burning natural gases with various compositions[J]. Energy Conversion and Management, 2003, 44(19): 3001-3014.

[10] Kandpal JB, Maheshwari RC, Kandpal TC. Indoor air pollution from domestic cookstoves using coal, kerosene and LPG[J]. Energy Conversion and Management, 1995, 36(11): 1067-1072.

[11]楊賢潮, 秦朝葵, 童超. 天然氣組分變化時(shí)燃?xì)鉄崴鞯男阅茼憫?yīng)研究[J]. 城市燃?xì)? 2011(12): 4-9. Yang Xianchao, Qin Chaokui, Tong Chao. Experimental study on response of water heaters to different composition of natural gas[J]. Urban Gas, 2011(12): 4-9.

[12]金琦, 秦朝葵, 張楊竣. 天然氣組分變化對(duì)民用灶具CO排放的響應(yīng)[J]. 熱科學(xué)與技術(shù), 2014, 13(1): 67-73. Jin Qi, Qin Chaokui, Zhang Yangjun. CO emission of domestic gas cooker interchanged by variable natural gas constituents[J]. Journal of Thermal Science and Technology, 2014, 13(1): 67-73.

[13]張世紅, 彭笑, 顏龍飛. 家用天然氣燃?xì)庠钤诓煌鹧嫒紵r下的煙氣污染物[J]. 化工進(jìn)展, 2012, 31(增刊2): 234-238. Zhang Shihong, Peng Xiao, Yan Longfei. Research on exhaust gas pollutant emissions under the conditions of different flame combustion of natural gas[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2012, 31(S2): 234-238.

[14]杜丹, 毛先萍, 畢明樹(shù). 預(yù)混燃燒室的NOx與CO排放性能研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 14(4): 203-206. Du Dan, Mao Xianping, Bi Mingshu. Experimental study on NOxand CO emissions in premixed combustion system[J]. Journal of Safety and Environment, 2014, 14(4): 203-206.

[15]江明. 鼓風(fēng)預(yù)混式中餐燃?xì)庠顭峁ば阅苎芯縖D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2008. Jiang Ming. Research on thermal performances of premixed and air-blasting gas burning appliance[D]. Chongqing: Chongqing University, 2008.

[16]馬鴻飛, 唐建光, 湯成杰. 低排放大氣預(yù)混式燃燒器介紹[C]//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)城市燃?xì)夥謺?huì)應(yīng)用專業(yè)委員會(huì)2010年會(huì)論文集. 呼和浩特: 中國(guó)土木工程學(xué)會(huì), 2010. Ma Hongfei, Tang Jianguang, Tang Chengjie. Atmospheric premixed gas burners with low emission pollution[C]//Application Specialty Committee of Gas Branch Society of China Civil Engineering Society, 2010 Collected Papers of Annual Meeting. Hohhot: China Civil Engineering Society, 2010.

[17] Singer BC. Appliance emissions and air quality impacts of LNG[R]. Sacramento: Lawrence Berkeley National Laboratory, 2007.

（修改回稿日期 2016-10-20 編 輯 陳 嵩）

Prediction on CO emission performance of atmospheric gas cookers

Zhang Yangjun1,2, Gao Wenxue2, Wang Qi2, Liu Boyan2, Chen Cheng2
(1. School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. North China Municipal Engineering Design & Research Institute, Tianjin 300074, China)

CO is one of the main pollutants generated during the combustion of city gas, so its emission must be controlled strictly. As gas sources are diversified in China, natural gas with different compositions is transported in the same pipeline network. Consequently, interchangeability problem may occur in terminal equipments and CO emission is unstable. In view of this, the relationship between natural gas composition and CO emission performance of atmospheric gas cookers was experimentally analyzed, and then a formula for predicting CO emission performance was developed. The experiment was conducted in three stages. First, the CO emission performance was tested under 2 kPa at a designed partially premixed burner when CH4was blended with a single composition. Thus, the influences of C2H6, C3H8, C4H10, N2, and H2on CO emission were determined, respectively. Second, CO emission of randomly blended multi-composition gas with CH4as the dominant composition was experimentally tested and the experimental results were analyzed by means of multivariate linear regression to set up the relationship between CO emission and the content of each gas composition. Third, three actual gas cookers with typical structures were selected for CO emission performance test of natural gas with different compositions, and the universality of the proposed mathematical equation was verified. It is shown that the calculation formula established by means of regression is, to some extent, universal, and can be applied to effectively predict CO emission performance of burners with different gas compositions. Keywords: Natural gas; Atmospheric gas cooker; Multivariate linear regression analysis; CO emission; Index of CO emission performance; Prediction; CH4; Blended with single composition

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.11.015

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 11, pp.111-118, 11/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

張楊竣，工程師，1986年生，博士；主要從事燃?xì)馊紵c應(yīng)用、天然氣互換性等方面的研究工作。地址：（300384）天津市南開(kāi)區(qū)華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)桂苑路16號(hào)。ORCID: 0000-0002-5724-7667。E-mail: zyjtongji@163.com