《燃气燃烧第十章》PPT课件.ppt

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 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 68061 704高热值45 82kJ Nm3103 01kJ Nm3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5 10 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IFA 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W CP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 又称燃烧速度指数 式中k 各种碳氢化合物的系数 u 由于燃气中含氧量及含氢量不同而引入的系数 v 由于燃气中含氢量不同而引入的系数 用具有不同W 和燃烧势 CP 值的燃气在典型燃具上进行试验 就可以在W CP坐标系上作出等离焰线 等回火线和等CO线 这三条曲线所限定的范围就是具有不同W 和CP值的燃气在该燃具上的互换范围 将城市燃气管网中实际应用的所有典型燃具的互换图并合在同一坐标系上 其内部界限所组成的范围就是满足所有典型燃具要求的互换范围 图10 7 华白数的允许波动范围一般为 5 10 这样 在W CP坐标系上就可以做出两条平行于CP轴的直线 一条为华白数允许变化上限 图10 7中W s W a 1 1的直线 另一条为华白数允许变化上限 图10 7中W s W a 0 9的直线 由等离焰线 等回火线和等CO线和两条华白数允许变化曲线所限定的范围abcde就是燃气允许互换范围 又称德尔布互换图 1 等离焰线 2 等回火线 3 等CO线 五 我国的采用的燃气置换判定法我国有关部门参照国际煤气分类法 建议将城市燃气分成三类若干种 各类基准燃气的华白数W 燃烧势CP及其界限燃气华白数W 燃烧势CP允许波动范围列于表10 3 其中基准燃气代表用不同单一气体配制的燃气 界限燃气代表出现不完全燃烧 回火 脱火 黄焰等现象时的燃气 表10 3各类燃气的主要特点 产地或生产方法如下 A类为燃烧速度慢的城市煤气 天然气和液化石油气 主要有 4A 抚顺 阳泉等地的矿井气 5A 重庆 唐山等地的矿井气 6A 锦州等地的液化石油气混空气 11A 南海等地的天然气 12A 四川等地的天然气 13A 天津 大庆 鞍山等地的油田伴生气 19A 商品丙烷 C3H8占90 以上 21A 商品丙丁烷混合物 C3十C4 占90 以上 22A 商品丁烷 C4H10占90 以上 B类为燃烧速度中等的城市燃气 主要是混合煤气有 4B 大连等地的混合煤气等 5B 长春等地的直立炉煤气等 6B 丹东等地的小焦炉煤气 沈阳等地的催化油煤气等 C类为燃烧速度快的城市燃气 主要为人工煤气 有 4C 两段炉煤气 JSW炉煤气或增热水煤气等 5C 上海等地的混合煤气 6C 沈阳等地的混合煤气或鲁奇炉煤气等 9C 北京等地炼焦煤气 各类燃气的华白数W 燃烧势CP只要在相应界限燃气的波动范围内变化 它们就能够实现互换 表10 3我国有关部门建议的城市煤气分类法 判别燃气互换性的问题目前还没有彻底解决 因为还没找到一个十分准确的方法和标准 但可以进行大致的估计 互换气源必须慎重 因为有些燃气存在以下问题 1 燃气对煤气表 燃具有腐蚀作用 2 燃气着火温度高 不能采用电打火 3 高压输气时易进入爆炸状态 有上述情况的燃气没有互换性 所以 最终只有通过实验才能确定燃气能否互换 第三节燃气的置换随着天然气供应量不断增加 供应区域不断扩大 一些城市的许多人工煤气供应区 管道液化石油气供应区要被天然气代替 因此应有 置换 工序 以解决燃气之间的置换问题 本节主要介绍天然气 置换 人工煤气和管道液化石油气 根据城市燃气供应近 中 远三期规划 预见将来可能使用的燃气种类 结合目的使用的气源设计新型燃具 这样 将来用天然气置换人工煤气或管道液化石油气时 只需要更换其喷嘴和火盖就能保证用户安全正常使用 可以减少置换工作的难度 对一个地区 在燃气置换时 需要做好以下工作 一 准备工作1 对置换地区的用户进行深入细致的走访调查 统计每一个用户 包括公共事业用户和工业用户 用什么样的燃具 并列出清单 以便委托原生产厂家加工足够数量的喷嘴 火盖和更换的零部件 对进口燃具 应委托有关部门研究设计和制造 2 调查核实置换地区每幢楼号 进户引入管数以及用户数 以保证置换时不遗漏一户用户 3 绘制详细的用户位置及引入管位置平面图 在图上标明原人工煤气或管道液化石油气和新铺设的天然气管线 包括压力 阀门 临时放散点等 二 置换方式的选择置换工作本身需要时间 为千家万户更换喷嘴 火盖同样需要时间 而向用户供气不能长时间中断 因此在选择置换方式时 必须考虑安全 可靠 省时 节约的原则 采用惰性气体 CO2 N2或烟气 进行间接置换 需要解决惰性气体的来源 输送等设备比较费事 耗时 不经济 采用天然气直接置换 由于是在两种燃气之间的置换 不存在形成爆炸混合物的危险 根据具体情况采取边置换边放散的方式或边置换边燃烧的方式 实践证明是可行的 具体置换方法如下 1 输配管道的置换 1 用天然气置换人工煤气 由于这两种燃气都比空气轻 置换时可根据置换范围和分段情况 选择安全可靠的位置设临时放散点 按天然气来源方向有计划 有步骤地分段放散 在各放散点用球胆取气样 并送到设置在置换现场的检测站检验 根据测试结果确定每个放散点是否置换完毕 直到合格为止 一般将被置换气直接排向大气 但是应防止排放点有明火 且不得排放到居民建筑物内 2 用天然气置换管道液化石油气 由于液化石油气相对比度比天然气重 并