民用混空輕烴燃?xì)馊紵芯?/h1>
2020-01-09 08:57:12樊玉光郭佳鑫
云南化工 2019年12期
樊玉光，任 哲，劉 凱，韓 桔，郭佳鑫
（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）
1 概述
混空輕烴燃?xì)馐且环N環(huán)保且具有穩(wěn)定熱值的燃?xì)?，它是以石油、天然氣開采及加工過程中的副產(chǎn)品輕烴作為原料，依據(jù)CJ/T 341-2010《混空輕烴燃?xì)狻?，?jīng)過一定的工藝氣化方式轉(zhuǎn)化而成，可以應(yīng)用于工業(yè)和民用。國內(nèi)已經(jīng)在部分地區(qū)的住宅小區(qū)、學(xué)校、高速服務(wù)區(qū)等地方投入使用[1-2]。CJ/T 341-2010《混空輕烴燃?xì)狻?規(guī)定，輕烴體積占比大于16.6%的燃?xì)饩勺鳛榛炜蛰p烴燃?xì)??；炜蛰p烴燃?xì)庵械妮p烴體積比例不同，燃?xì)獾娜紵匦詴?huì)有差異。混空輕烴燃?xì)獾娜紵匦耘c天然氣有差異，在天然氣灶具上燃燒混空輕烴燃?xì)?，必然存在是否能夠正常燃燒的問題。研究混空輕烴燃?xì)庠谔烊粴庠罹呱系娜紵哂兄匾饬x[3-4]。
2 輕烴體積比計(jì)算
西安地區(qū)提供的天然氣為12T 天然氣。適應(yīng)12T 天然氣的灶具在燃燒混空輕烴燃?xì)鈺r(shí)，需要通過燃?xì)饣Q性原則確定混空輕烴燃?xì)庵械妮p烴體積占比，使其在燃?xì)庠钪锌梢哉Ｈ紵?。本文采用華白數(shù)法初步確定在天然氣灶具上燃燒的混空輕烴燃?xì)庵械妮p烴體積占比。目前所用的混空輕烴燃?xì)庵?，燃?xì)獬煞趾咳缦拢何焱檎伎傎|(zhì)量成分為98.4%，C6 及以上組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，C4組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%，考慮到C6和C4的組分含量過少，計(jì)算可忽略不計(jì)，只計(jì)算戊烷部分。根據(jù)GB/T 13611-2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴罚?2T 天然氣基準(zhǔn)氣的高華白數(shù)為50.72 MJ/m3，戊烷的高熱值為159.71MJ/m3，相對密度為2.657。通過華白數(shù)法計(jì)算，當(dāng)混空輕烴燃?xì)庵休p烴體積占比為0.41，混空輕烴燃?xì)馀c12T 天然氣基準(zhǔn)氣的高華白數(shù)相等。本文采用輕烴比例為0.41 的混空輕烴燃?xì)?，對其在天然氣灶具上的燃燒狀況進(jìn)行研究。
3 混空輕烴燃?xì)馊紵治?/h2>3.1 燃燒勢計(jì)算
不同燃?xì)庠谕蝗紵魃先紵龝r(shí)，離焰、回火和CO 三條極限曲線主要取決于內(nèi)焰高度。燃燒勢是反應(yīng)預(yù)混火焰內(nèi)焰高度的指數(shù)，又稱燃燒過度指數(shù)。在GB/T 13611-2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴分校x燃燒勢為燃燒特性指數(shù)，主要表征燃燒速度指標(biāo)。我國國家標(biāo)準(zhǔn)中采用的燃燒勢計(jì)算公式：
式中：K1為與燃?xì)夂坑嘘P(guān)的系數(shù)，K1=1+0.0054C（O2）2；C（H2），C（CH4），C（CO），C（CnHm) 為燃?xì)庵懈鞣N可燃組分的容積成分；
12T 天然氣的燃燒勢允許變化范圍為36.3—69.3，基準(zhǔn)氣的燃燒勢為40.3?；炜蛰p烴中的空氣成分里面O2占空氣量的21%，由式（1）可以計(jì)算得知，混空輕烴的最大燃燒勢為35.40，其戊烷體積占比為0.551；輕烴體積占比為0.41 的混空輕烴燃?xì)獾娜紵齽轂?4.72?？梢钥闯?，混空輕烴燃?xì)獾娜紵齽荼忍烊粴庑。紵龝r(shí)的內(nèi)焰高度比天然氣的低，燃燒速度比天然氣慢，相較容易發(fā)生離焰。
3.2 需求空氣量的計(jì)算分析
在同一個(gè)引射系統(tǒng)中，一次空氣系數(shù)與華白數(shù)成一定比例，那么華白數(shù)相等，輕烴體積占比為0.41 的混空輕烴燃?xì)獾囊淮慰諝庀禂?shù)與天然氣相等。燃?xì)馊紵枥碚摽諝饬浚菏街校篤0為理論空氣需要量（干空氣/干燃?xì)猓?；C（H2），C（CO），C（H2S），C（CnHm) — 燃?xì)庵懈鞣N可燃組分的容積成分；C（O2）—燃?xì)庵醒醯娜莘e成分。
通過式（2）計(jì)算可以得到，混空輕烴燃?xì)獾牟煌旌媳鹊睦碚摽諝饬?，天然氣的理論空氣量V0為9.52，輕烴占比為0.41 的混空輕烴燃?xì)獾睦碚摽諝饬繛?5.03。可以看出，混空輕烴燃?xì)馑枰睦碚摽諝饬勘忍烊粴獯?，在一次空氣系?shù)相等的情況下，一次空氣所需的空氣量就要增多。為了保證灶具的正常燃燒，就需要調(diào)節(jié)風(fēng)門，保證足夠的一次空氣量。此外，混空輕烴燃燒所需的理論空氣量比天然氣大，二次空氣需求量也會(huì)相對增大。在爐頭火蓋等條件不變的情況下，混空輕烴燃?xì)獾亩慰諝夤┙o可能會(huì)出現(xiàn)不足，容易發(fā)生因不完全燃燒產(chǎn)生的黃焰及CO 增多的情況。
3.3 火孔出口速度計(jì)算
由于混空輕烴燃?xì)獾娜紵齽荼?2T 天然氣的低，在12T 天然氣灶具上燃燒時(shí)燃燒速度較慢。通過火孔流速對氣源改變后灶具的燃燒情況進(jìn)行初步預(yù)測?；鹂壮隹诹魉俚挠?jì)算公式如下：
式中：vp為火孔出口氣流速度（Nm/s）；Fp為火孔總面積；Q 為燃燒器熱負(fù)荷；α 為次空氣系數(shù)；Hl為燃?xì)獾牡蜔嶂担╧J/m3）。
通過式（3）計(jì)算得出，在氣源變?yōu)榛炜蛰p烴之后，維持額定熱負(fù)荷、額定壓力以及火孔熱強(qiáng)度不變情況下，混空輕烴燃?xì)獾幕鹂壮隹诹魉僭诟鱾€(gè)階段都低于12T 天然氣的火孔出口流速。在更換燃?xì)鈱傩院?，天然氣灶具的出口火焰?huì)比燃燒天然氣時(shí)的火焰短小。
3.4 點(diǎn)火分析
影響燃?xì)恻c(diǎn)燃的幾個(gè)重要因素：1）燃?xì)獗稽c(diǎn)燃所需的濃度；2）燃?xì)獾淖钚↑c(diǎn)火能；3）燃?xì)獾淖钚∠ɑ鹁嚯x。天然氣的主要成分是CH4，甲烷的最小點(diǎn)火能為29.01×0-5J，最小熄火距離為2.03mm，爆炸極限為5%～15%；混空輕烴的主要成分為C5H12，正戊烷氣體的最小點(diǎn)火能為22.02×10-5J，最小熄火距離為1.78，爆炸極限為1.4%～8.3%?；炜蛰p烴爆炸極限的計(jì)算公式如下[5-8]：
式中：Z 為氣態(tài)輕烴的爆炸上（下）限（可燃物體積分?jǐn)?shù)），%；Z混空為混空輕烴燃?xì)獗ㄉ希ㄏ拢┫蓿?。式（4）可以得出0.41 輕烴比例的混空輕烴燃?xì)獾谋ㄉ希ㄏ拢┫逓?.41%～20.24%，可以看出，混空輕烴燃?xì)恻c(diǎn)火要求比天然氣相對較低，使用天然氣灶具可以正常點(diǎn)火，不需要調(diào)整點(diǎn)火裝置。
4 結(jié)論
1）混空輕烴燃?xì)獾娜紵齽荼?2T 天然氣的低，燃燒速度相對較慢，內(nèi)焰高度低，在天然氣灶具燃燒時(shí)容易發(fā)生離焰；2）輕烴體積占比為0.41 的混空輕烴燃?xì)獾囊淮慰諝庀禂?shù)與天然氣相近，但理論空氣量比12T 天然氣大，所需的一次空氣及二次空氣量比12T 天然氣多；3）相同火孔熱強(qiáng)度的情況下，輕烴體積占比為0.41 的混空輕烴燃?xì)庠?2T 天然氣灶具上的火孔出口流速比12T 天然氣的低，出口火焰較短；4）混空輕烴燃?xì)獗?2T 天然氣更易燃燒，不需要更換點(diǎn)火裝置。
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樊玉光，任 哲，劉 凱，韓 桔，郭佳鑫
（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）
1 概述
混空輕烴燃?xì)馐且环N環(huán)保且具有穩(wěn)定熱值的燃?xì)?，它是以石油、天然氣開采及加工過程中的副產(chǎn)品輕烴作為原料，依據(jù)CJ/T 341-2010《混空輕烴燃?xì)狻?，?jīng)過一定的工藝氣化方式轉(zhuǎn)化而成，可以應(yīng)用于工業(yè)和民用。國內(nèi)已經(jīng)在部分地區(qū)的住宅小區(qū)、學(xué)校、高速服務(wù)區(qū)等地方投入使用[1-2]。CJ/T 341-2010《混空輕烴燃?xì)狻?規(guī)定，輕烴體積占比大于16.6%的燃?xì)饩勺鳛榛炜蛰p烴燃?xì)??；炜蛰p烴燃?xì)庵械妮p烴體積比例不同，燃?xì)獾娜紵匦詴?huì)有差異。混空輕烴燃?xì)獾娜紵匦耘c天然氣有差異，在天然氣灶具上燃燒混空輕烴燃?xì)?，必然存在是否能夠正常燃燒的問題。研究混空輕烴燃?xì)庠谔烊粴庠罹呱系娜紵哂兄匾饬x[3-4]。
2 輕烴體積比計(jì)算
西安地區(qū)提供的天然氣為12T 天然氣。適應(yīng)12T 天然氣的灶具在燃燒混空輕烴燃?xì)鈺r(shí)，需要通過燃?xì)饣Q性原則確定混空輕烴燃?xì)庵械妮p烴體積占比，使其在燃?xì)庠钪锌梢哉Ｈ紵?。本文采用華白數(shù)法初步確定在天然氣灶具上燃燒的混空輕烴燃?xì)庵械妮p烴體積占比。目前所用的混空輕烴燃?xì)庵?，燃?xì)獬煞趾咳缦拢何焱檎伎傎|(zhì)量成分為98.4%，C6 及以上組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，C4組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%，考慮到C6和C4的組分含量過少，計(jì)算可忽略不計(jì)，只計(jì)算戊烷部分。根據(jù)GB/T 13611-2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴罚?2T 天然氣基準(zhǔn)氣的高華白數(shù)為50.72 MJ/m3，戊烷的高熱值為159.71MJ/m3，相對密度為2.657。通過華白數(shù)法計(jì)算，當(dāng)混空輕烴燃?xì)庵休p烴體積占比為0.41，混空輕烴燃?xì)馀c12T 天然氣基準(zhǔn)氣的高華白數(shù)相等。本文采用輕烴比例為0.41 的混空輕烴燃?xì)?，對其在天然氣灶具上的燃燒狀況進(jìn)行研究。
3 混空輕烴燃?xì)馊紵治?/h2>3.1 燃燒勢計(jì)算
不同燃?xì)庠谕蝗紵魃先紵龝r(shí)，離焰、回火和CO 三條極限曲線主要取決于內(nèi)焰高度。燃燒勢是反應(yīng)預(yù)混火焰內(nèi)焰高度的指數(shù)，又稱燃燒過度指數(shù)。在GB/T 13611-2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴分校x燃燒勢為燃燒特性指數(shù)，主要表征燃燒速度指標(biāo)。我國國家標(biāo)準(zhǔn)中采用的燃燒勢計(jì)算公式：
式中：K1為與燃?xì)夂坑嘘P(guān)的系數(shù)，K1=1+0.0054C（O2）2；C（H2），C（CH4），C（CO），C（CnHm) 為燃?xì)庵懈鞣N可燃組分的容積成分；
12T 天然氣的燃燒勢允許變化范圍為36.3—69.3，基準(zhǔn)氣的燃燒勢為40.3?；炜蛰p烴中的空氣成分里面O2占空氣量的21%，由式（1）可以計(jì)算得知，混空輕烴的最大燃燒勢為35.40，其戊烷體積占比為0.551；輕烴體積占比為0.41 的混空輕烴燃?xì)獾娜紵齽轂?4.72?？梢钥闯?，混空輕烴燃?xì)獾娜紵齽荼忍烊粴庑。紵龝r(shí)的內(nèi)焰高度比天然氣的低，燃燒速度比天然氣慢，相較容易發(fā)生離焰。
3.2 需求空氣量的計(jì)算分析
在同一個(gè)引射系統(tǒng)中，一次空氣系數(shù)與華白數(shù)成一定比例，那么華白數(shù)相等，輕烴體積占比為0.41 的混空輕烴燃?xì)獾囊淮慰諝庀禂?shù)與天然氣相等。燃?xì)馊紵枥碚摽諝饬浚菏街校篤0為理論空氣需要量（干空氣/干燃?xì)猓?；C（H2），C（CO），C（H2S），C（CnHm) — 燃?xì)庵懈鞣N可燃組分的容積成分；C（O2）—燃?xì)庵醒醯娜莘e成分。
通過式（2）計(jì)算可以得到，混空輕烴燃?xì)獾牟煌旌媳鹊睦碚摽諝饬?，天然氣的理論空氣量V0為9.52，輕烴占比為0.41 的混空輕烴燃?xì)獾睦碚摽諝饬繛?5.03。可以看出，混空輕烴燃?xì)馑枰睦碚摽諝饬勘忍烊粴獯?，在一次空氣系?shù)相等的情況下，一次空氣所需的空氣量就要增多。為了保證灶具的正常燃燒，就需要調(diào)節(jié)風(fēng)門，保證足夠的一次空氣量。此外，混空輕烴燃燒所需的理論空氣量比天然氣大，二次空氣需求量也會(huì)相對增大。在爐頭火蓋等條件不變的情況下，混空輕烴燃?xì)獾亩慰諝夤┙o可能會(huì)出現(xiàn)不足，容易發(fā)生因不完全燃燒產(chǎn)生的黃焰及CO 增多的情況。
3.3 火孔出口速度計(jì)算
由于混空輕烴燃?xì)獾娜紵齽荼?2T 天然氣的低，在12T 天然氣灶具上燃燒時(shí)燃燒速度較慢。通過火孔流速對氣源改變后灶具的燃燒情況進(jìn)行初步預(yù)測?；鹂壮隹诹魉俚挠?jì)算公式如下：
式中：vp為火孔出口氣流速度（Nm/s）；Fp為火孔總面積；Q 為燃燒器熱負(fù)荷；α 為次空氣系數(shù)；Hl為燃?xì)獾牡蜔嶂担╧J/m3）。
通過式（3）計(jì)算得出，在氣源變?yōu)榛炜蛰p烴之后，維持額定熱負(fù)荷、額定壓力以及火孔熱強(qiáng)度不變情況下，混空輕烴燃?xì)獾幕鹂壮隹诹魉僭诟鱾€(gè)階段都低于12T 天然氣的火孔出口流速。在更換燃?xì)鈱傩院?，天然氣灶具的出口火焰?huì)比燃燒天然氣時(shí)的火焰短小。
3.4 點(diǎn)火分析
影響燃?xì)恻c(diǎn)燃的幾個(gè)重要因素：1）燃?xì)獗稽c(diǎn)燃所需的濃度；2）燃?xì)獾淖钚↑c(diǎn)火能；3）燃?xì)獾淖钚∠ɑ鹁嚯x。天然氣的主要成分是CH4，甲烷的最小點(diǎn)火能為29.01×0-5J，最小熄火距離為2.03mm，爆炸極限為5%～15%；混空輕烴的主要成分為C5H12，正戊烷氣體的最小點(diǎn)火能為22.02×10-5J，最小熄火距離為1.78，爆炸極限為1.4%～8.3%?；炜蛰p烴爆炸極限的計(jì)算公式如下[5-8]：
式中：Z 為氣態(tài)輕烴的爆炸上（下）限（可燃物體積分?jǐn)?shù)），%；Z混空為混空輕烴燃?xì)獗ㄉ希ㄏ拢┫蓿?。式（4）可以得出0.41 輕烴比例的混空輕烴燃?xì)獾谋ㄉ希ㄏ拢┫逓?.41%～20.24%，可以看出，混空輕烴燃?xì)恻c(diǎn)火要求比天然氣相對較低，使用天然氣灶具可以正常點(diǎn)火，不需要調(diào)整點(diǎn)火裝置。
4 結(jié)論
1）混空輕烴燃?xì)獾娜紵齽荼?2T 天然氣的低，燃燒速度相對較慢，內(nèi)焰高度低，在天然氣灶具燃燒時(shí)容易發(fā)生離焰；2）輕烴體積占比為0.41 的混空輕烴燃?xì)獾囊淮慰諝庀禂?shù)與天然氣相近，但理論空氣量比12T 天然氣大，所需的一次空氣及二次空氣量比12T 天然氣多；3）相同火孔熱強(qiáng)度的情況下，輕烴體積占比為0.41 的混空輕烴燃?xì)庠?2T 天然氣灶具上的火孔出口流速比12T 天然氣的低，出口火焰較短；4）混空輕烴燃?xì)獗?2T 天然氣更易燃燒，不需要更換點(diǎn)火裝置。
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