燃气燃烧第十章

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1、燃气燃烧与应用主讲教师: 吴晓南第十章 燃气互换性 有多种气源的城市常常会遇到以下两种情况：一是随着 燃气供气规模的发展或者制气原料的改变，原来使用的燃气 要长期地由另外一种燃气代替。二是由于基本气源不足，需 要向输配管网中掺入与原来性质不同的燃气。无论出现上述 那种情况，都会使用户得到的燃气性质改变，这对燃具的正 常工作会产生影响。如燃烧器的热负荷、火焰结构、一次空 气系数、燃烧稳定性、烟气中一氧化碳含量等都会受到影响 ，而燃具(主要指民用的)不可能更换和调整，这样就引出了 燃气互换性的问题。 第一节 燃气的互换性和燃具的适应性 任何燃具都是按特定燃气成分设计的。当燃气成分发生 变化而导致其

2、热值、密度和燃烧特性发生变化时，燃具燃烧 器的热负荷、燃烧稳定性、火焰结构、烟气中有害成分的含 量等燃烧工况就会改变。 设某一燃具以a燃气为基准进行设计，由于某种原因要以 s燃气置换a燃气，如果燃烧器此时不加任何调整而能保证燃 具正常工作，则表示s燃气可以置换a燃气，或称s燃气对于a 燃气而言具有“互换性”。a燃气称为“基准气”，s燃气称 为“置换气”。但是，互换性并不一定是可逆的，即s燃气能 置换a燃气，并不代表a燃气一定能置换s燃气。 根据燃气互换性的要求，当气源供给用户的燃气性质发 生改变时，置换气必须对基准气具有互换性，否则就不能保 证用户安全、经济地用气。燃气互换性是对燃气生产单位

3、提出的要求，它限制了燃气性质的任意改变。为了 达到互换性的要求，制气方法不能随意选用，这从 保证整个燃气供应系统的安全、可靠和经济性来讲 ，是完全合理和必要的。 两种燃气是否能够互换，并非只决定于燃气性 质本身，它还与燃烧器及其他部件的性能有密切关 系。一般来说，燃烧器即使在不做任何调整的情况 下，也能适应燃气成分的某些改变。 所谓燃具适应性，是指燃具对于燃气性质变化 的适应能力。决定燃具适应性大小的主要因素是 燃烧器的性能，但是燃具的其他性能（ 如二次空 气的供给情况，敞开燃烧还是封闭燃烧等）也影响 其适应性。因此，通常所讲的适应性应理解为燃具 的适应性，而不单单是燃烧器的适应性。 燃气互换

4、性与燃具适应性实际上是一个事物的两个方面。 互换性是指燃气的性质变化范围，能够满足两种燃气的互 换。适应性是指燃具要能适应燃气在一定范围的变化。互 换性是对燃气品质提出的要求，适应性是对燃具本身性能 提出的要求，两者具有辨证的关系：如果某一城市的几种 气源都具有较好的互换性，那么燃具的适应性要求就可以 降低。反之，如果燃具具有较强的适应性，那么对燃气互 换性的要求就可降低。 研究燃气互换性与燃具适应性间题具有很大的技术经 济意义。它最大限度地从扩大使用多种气源的角度对燃气 生产部门和燃具制造部门同时提出了要求。对于燃具制造 厂来说，首先应当致力于提高各种燃具的工艺效率、热效 率和卫生指标，与此

5、同时必须注意扩大燃具的适应性。 为了实现这点，有时甚至可以“牺牲”一些其他方面 的效益。但是合理的“牺牲”是值得的，它可以从提高制 气经济性方面得到补偿。在设计和调整燃具时，除了以基 准气为主要对象外，还应预先估计到可能使用的置换气， 以便有针对性地采取措施扩大燃具的适应性。 一般来说，工业燃具对燃气的互换性要求较低，考虑 燃气互换性，主要应考虑在民用燃具上能够互换。而民用 燃具又广泛采用引射式大气燃烧器，因此，研究燃气互换 性，主要是研究燃气在配有引射式大气燃烧器的民用燃具 中的互换性。 第二节 燃气互换性的判定 燃气互换问题的提出是与燃气事业的发展相联系的。随着 气源种类的进一步增多，燃气

6、组分更为复杂，各国相继系统地 开展了对燃气互换性的研究，根据燃气燃烧特性来确定互换性 判定指数。两种燃气是否可以互换，最基本的方法是通过实验 手段来确定。燃气互换性试验一般都在特制的控制燃烧器上进 行。 一、华白指数法 当以一种燃气置换另一种燃气时，首先要保证热负荷在互 换前后不发生大的改变。当燃烧器喷嘴前压力不变时，燃具热 负荷Q与燃气热值H成正比，与燃气相对密度的平方根存成反比 ，而 称为华白数： 式中 W华白数，或称热负荷指数； H燃气热值（kJ/Nm3）; s燃气相对密度。 这样，燃具热负荷Q就与华白数W成正比 式中 k比例常数。 华白数是代表燃气特性的一个参数。设有两种燃气的热 值和

7、密度均不相同，但只要它们的华白数相等，就能在同一 燃气压力下和同一燃具上获得相同热负荷，如果其中一种燃 气的华白数比另一种大，则其所能达到的热负荷也大。因此 ，华白数又称热负荷指数。 当燃气性质改变时，除了引起热负荷改变外，还会引起 燃烧器一次空气系数的变化。根据大气式燃烧器的特征，一 次空气系数与华白数W成反比： 式中 K2比例常数。 可以得出一个重要结论：如果两种燃气具有相同的华白数， 则在互换时能使燃具保持相同的热负荷和一次空气系数。如 果置换气的华白数比基准气大，则在置换时燃具热负荷将增 大，而一次空气系数将减小。反之，则燃具热负荷将减小， 一次空气系数将增大。 华白数是在互换性问题产

8、生初期所使用的一个互换性判 定指数。各国一般规定，在两种燃气互换时华白数W的变化不 大于（5%10%）。 随着气源种类的不断增多，出现了燃烧特性差别较大的 两种燃气在互换问题，这时单靠华白数就不足以判断两种燃 气是否可以互换。在这种情况下，除了华白数以外，还必须 引入火焰特性这样一个较为复杂的因素。所谓火焰特性，可 定义为产生离焰、黄焰、回火和不完全燃烧的倾向性，它与 燃气的化学、物理性质直接有关，但到目前为止还无法用一个单一的指标来表示。例题10-1 已知某油田天然气和液化石油气的基本数据为 ： 天然气 液化石油气 相对密度 0.6806 1.704 高热值 45.82kJNm3 103.0

9、1 kJNm3 试求以上两 种燃气的华白数，并计算相差百分数。解：天然气华白数液化石油气华白数 相差百分数为 一般规定华白数波动值应为土510，当燃气组分变化不大时，它可以作为燃气互换性的判定指数。 二 燃烧特性判定法 表示燃烧特性最形象的方法是在以燃烧器火孔热强度qP 为纵坐标，以一次空气系数为横坐标的坐标系上作出离焰 、回火、黄焰和燃烧产物中CO极限含量曲线。这四条曲线 总称为燃气燃烧特性曲线（图10-1）。不同的燃气在同一燃 具上通过实验所作出的燃烧特性曲线不同，说明这两种燃气 具有不同的燃烧特性。根据这两套特性曲线的相对位置，就 可以看出这两种燃气对离焰、回火、黄焰和不完全燃烧的不 同

10、倾向性。 同一种燃气在不同燃具上作出的特性曲线也是不同的 ，这是因为火孔大小、排列、材料等因素对特性曲线有影响 。但是只要两种燃具的基本型式相同，那么不同燃气在这两 种燃具上所作出的特性曲线的相对位置仍能保持不变。 特性曲线的这一性质甚为重要，该性质表明在某种典型燃具上 测得的两种燃气特性曲线的相对关系可以用来代表在其他类似 燃具上将反映出的相对关系，从而表明这两种燃气如果在该种 典型燃具上能够互换，那么在其他类型燃具上也能够互换。在燃气温度不变的情况下，某一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。前一因素决 定了特性曲线在qP坐标系上的位置。只有当运行点落 在特性曲线

11、范围之内时，燃具的运行工况才认为是满意的。 当燃气性质（燃气成分）改变时，燃气燃烧特性和华白数也 同时改变。燃气燃烧特性的改变引起特性曲线位置的改变， 华白数的改变引起燃具运行点的改变。从互换性角度来讲， 当以一种燃气置换另一种燃气时，应保证置换后燃具的新工 作点落在置换后新的特性曲线范围之内。 根据图10-1，可以立即知道某一燃具对于某种燃气的 适应程度。此外，还可以通过这种曲线图来选择燃烧器最 佳运行工况，确定合理的火孔热强度和一次空气系数。然 而，要针对为数众多的燃具和燃气作出许多稳定曲线、黄 焰极限曲线和CO极限曲线，试验工作量是很大的，也是难 以做到的。因此，就要求通过系统研究得出一

12、些可靠的指 数来判定燃气互换性。 三 A.G.A指数判定法 美国燃气协会(A.G.A)对热值大于32000kJ/m3的燃气 的互换性进行了系统研究,用各种试验燃烧器试验燃烧 性能,得出离焰、回火、黄焰三个互换指数来判别互换 后火焰的稳定性。以后的试验表明，这些互换指数对热 值低于32000kJ/m3的燃气也有一定的适用性。 1.离焰互换指数IL 式中 Ka、Ks基准气和置换气的离焰极限常数，可 由各单一气体的离焰常数F（见表10-1）按加和性求 得。 式中 fa、fs基准气和置换气的一次空气因数； aa、as基准气和置换气完全燃烧，平均每释放 105kJ热量所消耗的理论空气量。 r1、r2基准

13、气和置换气中各单一组分的容积成分 。 在预先算出基准气和置换气的f、a和K后，即能用离焰互 换指数IL判定这两种燃气是否可以互换。从理论上讲, IL1就发生离焰现象。 第三节 完全预混式燃烧的设计计算 完全预混式燃烧器的设计计算也是包括头 部与引射器的计算两部分，计算方法与大气式 燃烧器类似。 2、回火互换指数IF A.G.A用很多置换气在各种典型燃具上作了试验， 确定了为防止回火所必需的IF极限值。 式中 IF回火互换指数； fa、fs基准气和置换气的一次空气因数； Ka、Ks基准气和置换气的离焰极限常数； HS置换气的高热值。 3、黄焰互换指数IY 燃气互换后某热负荷下的一次空气系数S与互

14、 换后该热负荷下的黄焰极限一次空气系数sy之比， 称为黄焰互换指数IY：式中 ay、sy基准气和置换气的黄焰极限一次空 气系数； Ti各单一气体为消除黄焰而需的最小空气量，见 表10-1； V0燃气的理论空气需要量； rin燃气中N2和CO2的容积成分； r（O2）燃气中氧的容积成分。 用s燃气去置换a燃气时，把用以上公式计算的结 果，与表10-2比较，只有当IL、IF、IY三个指数 同时符合所规定的范围时，才能置换。 四、 德尔布判定法 大量试验表明，当不同燃气在同一燃烧器上燃烧时，离 焰、回火和CO三条曲线主要取决于与内焰高度有关的因素， 而黄焰曲线则与内焰高度无关。因此可以用一个参数来表示 离焰、回火和CO互换特性，而用另一个参数来表示黄焰互换 特性。 经过大量试验，选择校正华白数W和燃烧势CP作为判 定的两个指数，并以在WCP坐标系上的曲线图来表示燃 气允许互换的范围。各项指数如下： 1 校正华白数W 校正系数k1与燃气中的H2、CmHn和CO2的体积百分含量有 关，校正系数k2与燃气中的含氧量有关。 2 燃烧势 燃烧势是反映预混火焰内焰高度的指数，又称燃烧速 度指