樊玉光，任 哲，劉 凱，韓 桔，郭佳鑫

（西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710065）

1 概述

混空輕烴燃氣是一種環(huán)保且具有穩(wěn)定熱值的燃氣，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《混空輕烴燃氣》，經(jīng)過一定的工藝氣化方式轉化而成，可以應用于工業(yè)和民用。國內(nèi)已經(jīng)在部分地區(qū)的住宅小區(qū)、學校、高速服務區(qū)等地方投入使用[1-2]。CJ/T 341-2010《混空輕烴燃氣》 規(guī)定，輕烴體積占比大于16.6%的燃氣均可作為混空輕烴燃氣?；炜蛰p烴燃氣中的輕烴體積比例不同，燃氣的燃燒特性會有差異?；炜蛰p烴燃氣的燃燒特性與天然氣有差異，在天然氣灶具上燃燒混空輕烴燃氣，必然存在是否能夠正常燃燒的問題。研究混空輕烴燃氣在天然氣灶具上的燃燒具有重要意義[3-4]。

2 輕烴體積比計算

西安地區(qū)提供的天然氣為12T 天然氣。適應12T 天然氣的灶具在燃燒混空輕烴燃氣時，需要通過燃氣互換性原則確定混空輕烴燃氣中的輕烴體積占比，使其在燃氣灶中可以正常燃燒。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氣中的輕烴體積占比。目前所用的混空輕烴燃氣中，燃氣成分含量如下：戊烷占總質(zhì)量成分為98.4%，C6 及以上組分的質(zhì)量分數(shù)為1%，C4組分質(zhì)量分數(shù)為0.6%，考慮到C6和C4的組分含量過少，計算可忽略不計，只計算戊烷部分。根據(jù)GB/T 13611-2018《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》，12T 天然氣基準氣的高華白數(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)法計算，當混空輕烴燃氣中輕烴體積占比為0.41，混空輕烴燃氣與12T 天然氣基準氣的高華白數(shù)相等。本文采用輕烴比例為0.41 的混空輕烴燃氣，對其在天然氣灶具上的燃燒狀況進行研究。

3 混空輕烴燃氣燃燒分析

3.1 燃燒勢計算

不同燃氣在同一燃燒器上燃燒時，離焰、回火和CO 三條極限曲線主要取決于內(nèi)焰高度。燃燒勢是反應預混火焰內(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)燃氣分類和基本特性》中，定義燃燒勢為燃燒特性指數(shù)，主要表征燃燒速度指標。我國國家標準中采用的燃燒勢計算公式：

式中：K1為與燃氣含量有關的系數(shù)，K1=1+0.0054C（O2）2；C（H2），C（CH4），C（CO），C（CnHm) 為燃氣中各種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 的混空輕烴燃氣的燃燒勢為34.72?？梢钥闯?，混空輕烴燃氣的燃燒勢比天然氣小，燃燒時的內(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 需求空氣量的計算分析

在同一個引射系統(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 的混空輕烴燃氣的一次空氣系數(shù)與天然氣相等。燃氣燃燒所需理論空氣量：式中：V0為理論空氣需要量（干空氣/干燃氣）；C（H2），C（CO），C（H2S），C（CnHm) — 燃氣中各種可燃組分的容積成分；C（O2）—燃氣中氧的容積成分。

通過式（2）計算可以得到，混空輕烴燃氣的不同混合比的理論空氣量，天然氣的理論空氣量V0為9.52，輕烴占比為0.41 的混空輕烴燃氣的理論空氣量為15.03?？梢钥闯觯炜蛰p烴燃氣所需要的理論空氣量比天然氣大，在一次空氣系數(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相對增大。在爐頭火蓋等條件不變的情況下，混空輕烴燃氣的二次空氣供給可能會出現(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 火孔出口速度計算

由于混空輕烴燃氣的燃燒勢比12T 天然氣的低，在12T 天然氣灶具上燃燒時燃燒速度較慢。通過火孔流速對氣源改變后灶具的燃燒情況進行初步預測?；鹂壮隹诹魉俚挠嬎愎饺缦拢?/p>

式中：vp為火孔出口氣流速度（Nm/s）；Fp為火孔總面積；Q 為燃燒器熱負荷；α 為次空氣系數(shù)；Hl為燃氣的低熱值（kJ/m3）。

通過式（3）計算得出，在氣源變?yōu)榛炜蛰p烴之后，維持額定熱負荷、額定壓力以及火孔熱強度不變情況下，混空輕烴燃氣的火孔出口流速在各個階段都低于12T 天然氣的火孔出口流速。在更換燃氣屬性后，天然氣灶具的出口火焰會比燃燒天然氣時的火焰短小。

3.4 點火分析

影響燃氣點燃的幾個重要因素：1）燃氣被點燃所需的濃度；2）燃氣的最小點火能；3）燃氣的最小熄火距離。天然氣的主要成分是CH4，甲烷的最小點火能為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（可燃物體積分數(shù)），%；Z混空為混空輕烴燃氣爆炸上（下）限，%。式（4）可以得出0.41 輕烴比例的混空輕烴燃氣的爆炸上（下）限為3.41%～20.24%，可以看出，混空輕烴燃氣點火要求比天然氣相對較低，使用天然氣灶具可以正常點火，不需要調(diào)整點火裝置。

4 結論

1）混空輕烴燃氣的燃燒勢比12T 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容易發(fā)生離焰；2）輕烴體積占比為0.41 的混空輕烴燃氣的一次空氣系數(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）相同火孔熱強度的情況下，輕烴體積占比為0.41 的混空輕烴燃氣在12T 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）混空輕烴燃氣比12T 天然氣更易燃燒，不需要更換點火裝置。