深入分析液化石油气掺混二甲醚对燃具燃烧性能的影响——福建 王宗羽

1、深入分析液化石油气掺混二甲醚对燃具燃烧性能的影响王宗羽（福建省燃气具质量监督检验所，福建，福州 350025）摘要: 本文主要通过对试验数据分析，研究液化石油气中掺混入一定比例二甲醚对燃具的实测热负荷、热效率、燃烧工况等燃烧性能的影响。当液化石油气掺混一定比例二甲醚的混合气（不超过20），通过调节风门开度、改变锅支架高度、重新设计火孔热强度等方式，可以使基于液化石油气设计的燃具适用于液化石油气与二甲醚混合气。关键词: 二甲醚，掺混，燃烧性能，实测热负荷，热效率，燃烧工况depth analysis of liquefied petroleum gas mixing combustion of

2、dimethyl ether on the properties of gas appliancewang zongyu(fujian gas apparatus quality detection station，fuzhou，fujian，350025)abstract: this paper mainly through analysis of test data to study the mixing of liquefied petroleum gas of dimethyl ether into a certain proportion of the measured gas ap

3、pliance heat load, thermal efficiency, combustion conditions, such as the impact of combustion performance. when liquefied petroleum gas mixing a certain proportion of the mixed gas of dimethyl ether (not more than 20), to adjust throttle opening,change the pot stand height, re-designed heat intensi

4、ty of the fire-hole, etc., can be liquefied petroleum gas-based gas appliance designed to apply in the liquefied petroleum gas and dimethyl ether mixture.key words: dimethyl ether, mixing, combustion performance, the measured heat load, thermal efficiency, combustion conditions一、引言 城镇燃气用二甲醚建设行业产品标准已

5、于2007年8月21日获批，批准号：cj/t259-2007，于2008年1月1日起执行。城镇燃气用二甲醚混合气的国家标准正在制定过程中，初步方案是液化石油气与二甲醚混合，二甲醚含量20%，不设下限。目前二甲醚作为一种新兴能源被尝试用于很多方面，其中一种方式是在液化石油气中掺混20%左右的二甲醚，这也是国内二甲醚的主要销售方式。各种企业宣传认为该方式不必改变现有灶具就可正常使用，不仅可以用于瓶装燃气，还可以用于管道供气。通过具体试验分析，明确液化石油气掺混二甲醚对燃具燃烧性能的影响，对规范燃气市场、促进相关行业的发展有着重要意义。二、二甲醚特性 二甲醚分子式为c2h6o，是一种无色、具有轻微醚

6、香味的气体，具有惰性、无腐蚀性、无致癌性、几乎无毒。具有优良的混溶性，能同大多数极性和非极性有机溶剂混溶。在100ml水中可溶解3.700ml二甲醚气体，且二甲醚易溶于汽油、四氯化碳、丙酮、氯苯和乙酸甲酯等多种有机溶剂，加入少量助剂后就可与水以任意比互溶。理化性质单位二甲醚（dme）液化石油气丙烷丁烷分子式/c2h6oc3h8c4h10分子量/46.0744.1158.13气相低位热值 mj/m346.0793.09123液态密度 q/cm30.6680.5010.580低热值华白数 mj/m332.174.785.4着火温度 235480441理论空燃比 kq/kq9.015.715.5理论

7、燃烧温度 22502060氧含量 34.8/三、液化石油气掺混二甲醚对燃具燃烧性能的影响试验参照gb 164102007家用燃气灶具燃烧性能试验的相应检测方法。为了避免二甲醚在水中有一定的溶解度对试验的影响，试验气源参数采用气相色谱分析，燃气用量采用品川精密干式气体流量计，对燃气湿度进行必要修正。根据标准对于燃烧器燃烧所需的空气量规定，燃具调节到燃烧火焰最佳状态，然后风门固定，各项性能试验时不得再调节风门。试验燃气压力统一采用2.8kpa，以接近实际使用情况。鉴于目前国内普遍采用“二甲醚掺混比小于20%”的情况，将14.7%、23.6%的二甲醚掺混入液化石油气配制成试验用混合气，通过具体试验对

8、燃烧性能关键指标进行分析。3.1 二甲醚掺混入液化石油气对燃具实测热负荷的影响根据实测热负荷通用计算公式： 公式一该公式广泛适用于各类燃气，包括液化石油气与二甲醚的混合气。试验过程保持大气压力pamb 、燃气流量计内的燃气温度tg、温度为tg 时的饱和水蒸气压s不变，燃气相对静压力pm采用额定压力2.8kpa。液化石油气掺混不同比例的二甲醚时，燃具的实测热负荷与试验混合气的低热值q1、实测燃气流量v成正比。根据大气式燃烧器喷嘴流量计算公式： 公式二喷嘴流量系数，与喷嘴的结构形式、尺寸和燃气压力有关，用实验方法求得；试验采用单炉头的某品牌燃具，简化试验条件为一路燃气管线，因此实测燃气流量v等于燃

9、烧器喷嘴流量lg。同一台试验燃具喷嘴结构相同（即喷嘴直径d相同），实验条件保持不变时，喷嘴流量系数可认为是常数。燃气压力h采用额定压力2.8kpa，则燃烧器喷嘴流量lg与燃气相对密度s的平方根成反比。由公式一、二可得燃具的实测热负荷通用公式： 公式三公式三简化为：（c是由特定试验条件，燃具结构决定的系数）在相同试验条件下，通过将二甲醚按不同比例掺混入液化石油气测定试验燃具的实测热负荷，具体实验数据见下表。燃具结构一定，将不同掺混比例的液化石油气与二甲醚混合气对应的实测热负荷代入简化公式验证，当二甲醚掺混比小于20%时，系数c变化很小。实验项目单位液化石油气（0%）二甲醚掺混入液化石油气（14.

10、7）二甲醚掺混入液化石油气（23.6）试验气低热值mj/m3106.596.486.6试验气相对密度/1.89361.81221.7571试验气低热值华白数mj/m377.471.665.3实测热负荷kw3.483.262.99系数c%4.504.554.58结论：在相同实验条件下，液化石油气掺混不同比例的二甲醚，燃具的实测热负荷与试验混合气的低热值华白数成线性关系，掺混比例越大，试验气低热值华白数越低，燃具实测热负荷越低。3.2 二甲醚掺混入液化石油气对热效率的影响根据热效率通用计算公式： 公式四家用燃气灶具一般采用大气式燃烧器。大气式燃烧器由头部及引射器两部分组成，是根据部分预混燃烧方法设

11、计的燃烧器，一次空气系数01。其工作原理是：燃气在一定的压力下，以一定的流速从喷嘴流出，进入吸气收缩管，依靠燃气本身能量的引射作用，吸引周围空气进入引射器，这部分空气也称为一次空气。一次空气和燃气在引射器内混合，然后经头部火孔流出，进行燃烧。在燃烧中从火焰周围吸引空气助燃，这部分空气称为二次空气。一般研究认为液化石油气掺混一定比例二甲醚，因为二甲醚含34.8的氧，一次空气系数减小，不参与反应的空气量产生的热损失减少，同时二甲醚属“富氧燃烧”工况，掺混后燃烧状况得到一定程度的优化，燃烧效率可提高35。通过实验数据分析发现，基于20y设计的燃具以液化石油气与二甲醚混合气为气源，保持原设计锅支架高度

12、不变，热效率先是随着掺混比例的加大缓慢下降，达到一定比例时有所回升，具体实验数据见下表：实验项目单位液化石油气（20y）二甲醚掺混入液化石油气（14.7）二甲醚掺混入液化石油气（23.6）风门开度/风门开度8/10风门开度3/10风门开度2/10试验气低热值mj/m395.196.486.6试验气相对密度/1.58671.81221.7571热效率(26cm锅)%44.640.542.7热效率(28cm锅)%46.742.644.4热效率(锅底热强度插值)%46.642.243.1a) 二甲醚自身含氧对热效率的有利影响液化石油气反应平衡方程c3h8+5o2=3co2+4h2o 方程一2c4h1

13、0+13o2=8co2+10h2o 方程二二甲醚反应平衡方程c2h6o+3o2=2co2+3h2o 方程三由于燃烧火焰在试验中调节到最佳状态，假设空气过量系数为1，则1体积液化石油气（20y）需5.375体积的氧气；掺混14.7的二甲醚后，1体积混合燃料需5.026体积的氧气；掺混23.6的二甲醚后，1体积混合燃料需4.815体积的氧气。随着液化石油气掺混的二甲醚比例的增加，反应所需氧气量明显减少，为避免火焰出现离焰、熄火、回火现象，随着二甲醚掺混比例的增加，试验中适当减小了风门开度，一次空气量减小。二甲醚自身含氧有利于燃气与氧的预混，使燃烧过程得到优化；同时由于减少一次空气量、采用较低的过剩

14、空气系数，有效的减少了未参与反应的o2、n2带走的热损失，提高了热效率。b) 实测热负荷（火孔热强度）对热效率的不利影响试验用灶具总火孔面积约为580mm2。根据二甲醚掺混入液化石油气对燃具实测热负荷影响的结论：掺混比例越大，燃具实测热负荷越低。当总火孔面积一定时，则火孔热强度也越低。经计算得到：液化石油气（20y）火孔热强度6wmm2；掺混14.7的二甲醚后，火孔热强度5.6 wmm2；掺混23.6的二甲醚后，火孔热强度5.2 wmm2。火孔热强度与掺混比例线性相关。当锅支架高度、试验用锅一定时，随着掺混比例增加，火孔热强度的降低，热交换能力减弱，热效率下降。c) 锅支架高度对热效率的不利影

15、响燃具以液化石油气与二甲醚混合气为气源，相对于单纯用液化石油气，燃烧状况更接近“富氧燃烧”，火焰高度更低，配套的锅支架可以更矮。因为目前市场尚没有专门针对液化石油气与二甲醚混合气的燃具，所有试验均采用依据20y设计的灶具，并不匹配的较高的锅支架高度对锅的加热是不利的。较高的锅支架高度，燃烧火焰与空气的接触面就会增加，增加了周围空气向火焰的扩散，降低火焰温度而使换热减少；二次空气量的增加，会使散热损失有所增加，从而导致热效率的下降；由于火孔有一定倾角，具有主要负荷的外圈火孔的火焰，其高温烟气并没有与全部锅底接触，只是接触到锅底的周边部分，使换热量减少，热效率降低。结论：1）当少量二甲醚掺混入液化

16、石油气时，实测热负荷（火孔热强度）、火焰高度对热效率的不利影响大于二甲醚自身含氧改善燃烧带来的有利影响，热效率呈下降趋势。 2）特定的试验器具锅支架高度一定，试验用锅与燃烧器之间形成一个相对独立的燃烧空间，当二甲醚掺混比例在1525时，热交换条件逐渐趋于稳定，热效率的负面影响变化不大，而二甲醚自身含氧对燃烧过程的优化越发明显，热效率有所回升。3.3 燃烧火焰稳定性及烟气中一氧化碳浓度通过调节风门开度的大小，改变进入燃气灶具的一次空气量的多少，实验数据表明液化石油气与二甲醚混合气，掺混比例不大于20时，燃烧工况满足gb164102007家用燃气灶具标准要求，同时干烟气中一氧化碳浓度保持在比较低的水平。必须指出因为本次试验调节风门到燃烧火焰最佳状态，可以看到掺混比例超过20时风门开度已调节到极限位置，再增加掺混比例燃烧工况将发生比较大的变化。实验项目单位液化石油气（20y）二甲醚掺混入液化石油气（14.7）二甲醚掺混入液化石油气（23.6）风门开度/风门开度8/10风门开度3/10风门开度2/10干烟气中一氧化碳浓度（1）0.0020.0010.001燃烧工况离焰无无无熄火无无无回火无无无结束语：液化石油气掺混一定比例二甲醚的混合气（