民用混空轻烃燃气燃烧研究

樊玉光，任 哲，刘 凯，韩 桔，郭佳鑫

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

1 概述

混空轻烃燃气是一种环保且具有稳定热值的燃气，它是以石油、天然气开采及加工过程中的副产品轻烃作为原料，依据CJ/T 341-2010《混空轻烃燃气》，经过一定的工艺气化方式转化而成，可以应用于工业和民用。国内已经在部分地区的住宅小区、学校、高速服务区等地方投入使用[1-2]。CJ/T 341-2010《混空轻烃燃气》 规定，轻烃体积占比大于16.6%的燃气均可作为混空轻烃燃气。混空轻烃燃气中的轻烃体积比例不同，燃气的燃烧特性会有差异。混空轻烃燃气的燃烧特性与天然气有差异，在天然气灶具上燃烧混空轻烃燃气，必然存在是否能够正常燃烧的问题。研究混空轻烃燃气在天然气灶具上的燃烧具有重要意义[3-4]。

2 轻烃体积比计算

西安地区提供的天然气为12T 天然气。适应12T 天然气的灶具在燃烧混空轻烃燃气时，需要通过燃气互换性原则确定混空轻烃燃气中的轻烃体积占比，使其在燃气灶中可以正常燃烧。本文采用华白数法初步确定在天然气灶具上燃烧的混空轻烃燃气中的轻烃体积占比。目前所用的混空轻烃燃气中，燃气成分含量如下：戊烷占总质量成分为98.4%，C6 及以上组分的质量分数为1%，C4组分质量分数为0.6%，考虑到C6和C4的组分含量过少，计算可忽略不计，只计算戊烷部分。根据GB/T 13611-2018《城镇燃气分类和基本特性》，12T 天然气基准气的高华白数为50.72 MJ/m3，戊烷的高热值为159.71MJ/m3，相对密度为2.657。通过华白数法计算，当混空轻烃燃气中轻烃体积占比为0.41，混空轻烃燃气与12T 天然气基准气的高华白数相等。本文采用轻烃比例为0.41 的混空轻烃燃气，对其在天然气灶具上的燃烧状况进行研究。

3 混空轻烃燃气燃烧分析

3.1 燃烧势计算

不同燃气在同一燃烧器上燃烧时，离焰、回火和CO 三条极限曲线主要取决于内焰高度。燃烧势是反应预混火焰内焰高度的指数，又称燃烧过度指数。在GB/T 13611-2018《城镇燃气分类和基本特性》中，定义燃烧势为燃烧特性指数，主要表征燃烧速度指标。我国国家标准中采用的燃烧势计算公式：

式中：K1为与燃气含量有关的系数，K1=1+0.0054C（O2）2；C（H2），C（CH4），C（CO），C（CnHm) 为燃气中各种可燃组分的容积成分；

12T 天然气的燃烧势允许变化范围为36.3—69.3，基准气的燃烧势为40.3。混空轻烃中的空气成分里面O2占空气量的21%，由式（1）可以计算得知，混空轻烃的最大燃烧势为35.40，其戊烷体积占比为0.551；轻烃体积占比为0.41 的混空轻烃燃气的燃烧势为34.72。可以看出，混空轻烃燃气的燃烧势比天然气小，燃烧时的内焰高度比天然气的低，燃烧速度比天然气慢，相较容易发生离焰。

3.2 需求空气量的计算分析

在同一个引射系统中，一次空气系数与华白数成一定比例，那么华白数相等，轻烃体积占比为0.41 的混空轻烃燃气的一次空气系数与天然气相等。燃气燃烧所需理论空气量：式中：V0为理论空气需要量（干空气/干燃气）；C（H2），C（CO），C（H2S），C（CnHm) — 燃气中各种可燃组分的容积成分；C（O2）—燃气中氧的容积成分。

通过式（2）计算可以得到，混空轻烃燃气的不同混合比的理论空气量，天然气的理论空气量V0为9.52，轻烃占比为0.41 的混空轻烃燃气的理论空气量为15.03。可以看出，混空轻烃燃气所需要的理论空气量比天然气大，在一次空气系数相等的情况下，一次空气所需的空气量就要增多。为了保证灶具的正常燃烧，就需要调节风门，保证足够的一次空气量。此外，混空轻烃燃烧所需的理论空气量比天然气大，二次空气需求量也会相对增大。在炉头火盖等条件不变的情况下，混空轻烃燃气的二次空气供给可能会出现不足，容易发生因不完全燃烧产生的黄焰及CO 增多的情况。

3.3 火孔出口速度计算

由于混空轻烃燃气的燃烧势比12T 天然气的低，在12T 天然气灶具上燃烧时燃烧速度较慢。通过火孔流速对气源改变后灶具的燃烧情况进行初步预测。火孔出口流速的计算公式如下：

式中：vp为火孔出口气流速度（Nm/s）；Fp为火孔总面积；Q 为燃烧器热负荷；α 为次空气系数；Hl为燃气的低热值（kJ/m3）。

通过式（3）计算得出，在气源变为混空轻烃之后，维持额定热负荷、额定压力以及火孔热强度不变情况下，混空轻烃燃气的火孔出口流速在各个阶段都低于12T 天然气的火孔出口流速。在更换燃气属性后，天然气灶具的出口火焰会比燃烧天然气时的火焰短小。

3.4 点火分析

影响燃气点燃的几个重要因素：1）燃气被点燃所需的浓度；2）燃气的最小点火能；3）燃气的最小熄火距离。天然气的主要成分是CH4，甲烷的最小点火能为29.01×0-5J，最小熄火距离为2.03mm，爆炸极限为5%～15%；混空轻烃的主要成分为C5H12，正戊烷气体的最小点火能为22.02×10-5J，最小熄火距离为1.78，爆炸极限为1.4%～8.3%。混空轻烃爆炸极限的计算公式如下[5-8]：

式中：Z 为气态轻烃的爆炸上（下）限（可燃物体积分数），%；Z混空为混空轻烃燃气爆炸上（下）限，%。式（4）可以得出0.41 轻烃比例的混空轻烃燃气的爆炸上（下）限为3.41%～20.24%，可以看出，混空轻烃燃气点火要求比天然气相对较低，使用天然气灶具可以正常点火，不需要调整点火装置。

4 结论

1）混空轻烃燃气的燃烧势比12T 天然气的低，燃烧速度相对较慢，内焰高度低，在天然气灶具燃烧时容易发生离焰；2）轻烃体积占比为0.41 的混空轻烃燃气的一次空气系数与天然气相近，但理论空气量比12T 天然气大，所需的一次空气及二次空气量比12T 天然气多；3）相同火孔热强度的情况下，轻烃体积占比为0.41 的混空轻烃燃气在12T 天然气灶具上的火孔出口流速比12T 天然气的低，出口火焰较短；4）混空轻烃燃气比12T 天然气更易燃烧，不需要更换点火装置。