CN109358090A - 一种用于燃气热值仪上的辐射装置及燃气热值测量方法 - Google Patents

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李娜
伊智
李成
姜潇
张卫军
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    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
    • G01N25/22—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures

Abstract

本发明涉及一种用于燃气热值仪上的辐射装置及燃气热值测量方法，包括燃烧室和辐射管，燃烧室通过辐射管的开口端伸入辐射管中，并以与辐射管同轴的方式安装于辐射管内部；燃烧室底端连接烟气管道，烟气管道内设有助燃气管道和燃气管道；燃烧室、助燃气管道的出口端位于辐射管内；烟气管道入口端均位于辐射管内。方法为：定燃气供给量；确定空气带入的总热量；确定燃料带入的总热量；确定燃烧产物烟气含有的总热量；确定辐射管与烟气进行热交换得到的辐射热流量；根据燃烧过程中热平衡原理，利用燃烧过程中热平衡原理测量净热值。发明利用测量辐射管表面温度，应用热量平衡原理测量出净热值，操作更加简单，测量更加方便，运行稳定性好。

Description

一种用于燃气热值仪上的辐射装置及燃气热值测量方法
技术领域
本发明涉及一种燃气热值仪，具体为一种用于燃气热值仪上的辐射装置及燃气热值测量方法。
背景技术
在对天然气、发生炉煤气、沼气、冶金工业的焦炉、高炉、转炉煤气及其各种混合煤气等燃气的管理应用中，燃气热值是一个基本而重要的参数，及时准确的测量燃气的热值对于科学合理的组织社区、企业的能源平衡，生产和高效利用燃气热能，节约能源具有重要的意义。目前有以下几种测量热值的方法；
(1)组份分析法，利用气相色一谱仪器将一该气体中每种化学组份分离，并且计一算出该气体的累计热值，这种方法中采用的气相色谱仪器需要经常进行维护，其价格昂贵；
(2)燃气电阻率法，通过电桥对燃气的电阻率进行测量，这种方法测量精度较差；
(3)量热式测量法，目前采用较多的是这种量热式测量方法。
根据热值测定的原理不同，热值仪有水气式热量计、燃烧式热值仪、红外分析式热值仪、气相色谱热值仪等多种，其适用条件测试精度也各有不同。
在现有技术中量热式测量的燃烧式热值仪是由燃气和助燃空气的输送处理装置、燃气和助燃空气流量的测量装置、燃烧炉筒、炉温测量装置、显示热值装置，以及箱体和连接辅助器件构成，利用燃气燃烧发热，炉温随燃气热值的变动而有所变化，通过测量炉温变化值，再经过转换计算得出燃气的热值。其不足之处在于炉温变化值，往往受到环境温度的影响和温度变化大滞后的影响，导致该仪表测量精确度和灵敏度较低。为了解决这个问题，通常的做法是将该仪表设置于带有恒温、恒湿空调设备的工作环境中，并且采取一系列较为复杂的减小炉温变化大滞后措施，但同时由于这些设备的增加会导致该种仪表的运行稳定性较差，维护工作量大大增加，使仪表成本和测量工作的费用大大增加。
发明内容
针对现有技术中燃气热值仪运行稳定性较差、仪表成本和测量工作的费用大等不足，本发明要解决的问题是提供一种运行稳定好、不产生维护费用的用于燃气热值仪上的辐射管及燃气热值测量方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明一种用于燃气热值仪上的辐射装置，包括燃烧室和辐射管，燃烧室通过辐射管的开口端伸入辐射管中，并以与辐射管同轴的方式安装于辐射管内部；燃烧室底端连接烟气管道，烟气管道内设有助燃气管道和燃气管道；燃烧室、助燃气管道的出口端位于辐射管内；烟气管道入口端均位于辐射管内。
辐射管上设有对辐射管的壁面温度分布进行测量的抽气式热电偶，测点沿着辐射管长度分布。
所述辐射管为I型、P型、双a型。
本发明用于燃气热值仪上的辐射装置的燃气热值测量方法，包括以下步骤：
1)确定燃气供给量；
2)确定空气带入的总热量；
3)确定燃料带入的总热量；
4)确定燃烧产物烟气含有的总热量；
5)确定辐射管与烟气进行热交换得到的辐射热流量；
6)根据燃烧过程中热平衡原理，利用燃烧过程中热平衡原理测量净热值。
根据热量平衡原理，当热量收入与支出相等时，燃烧产物达到一个相对稳定的燃烧温度，热平衡方程式如下：
BQD+BLncata+Bcftf＝BVncgtg+ΣA1ε1σT1 4
其中，Ln为实际空气消耗量，ca为空气的平均比热，ta为空气的温度， cf为燃料的平均比热，tf为燃料的温度，Vn燃烧产物的生成量，cg为烟气的平均比热，tg为烟气的温度，A1为烟气对辐射管的接触面积，ε1为实际物体的发射率，σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数，T1为辐射管表面热力学温度，B 为供给量；
通过以上热平衡公式计算出燃气热值QD。
实际空气消耗量Ln表示为Ln＝nL0，其中，n为空气消耗系数，当n＞1 时，为空气过剩系数；L0为理论空气需要量。
燃烧产物的生成量Vn，n为空气消耗系数；当n≠1时，Vn为实际燃烧产物生成量，V0为理论燃烧产物生成量；实际燃烧产物生成量Vn表示为 Vn＝V0+(Ln-L0)。
燃气为煤气；在燃烧过程中，煤气与空气在进入燃烧室之前已均匀混合，为预混燃烧。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明利用测量辐射管表面温度，应用热量平衡原理测量出净热值，相较于传统的测量方式，此方法操作更加简单，测量更加方便，运行稳定性好。
2.本发明利用抽气式热电偶对辐射管表面测温，响应速度快，动态工况适应性强。
3.本发明中的燃气为煤气，此燃烧过程中，煤气与空气在进入燃烧室之前已均匀混合，属于预混燃烧，有效的防止了燃烧过程中的脱火或回火现象。
4.本发明合理的结构组合，生产工艺简单，维护简单，价格低，不产生维护费用，更方便用户的使用。
附图说明
图1是本发明在应用实例中的结构示意图；
图2是本发明中的辐射管结构示意图；
图3A为本发明中的I型定向辐射管结构示意图；
图3B为本发明中的P型定向辐射管结构示意图；
图3C为本发明中的双a型定向辐射管结构示意图；
图4为本发明方法流程图。
其中，1为抽气式热电偶，2为辐射管，3为燃烧室，4为氧气入口，5 为助燃气管道，6为助燃气管道出口端，7为烟气管道的入口端，8为烟气管道，9为烟气管道的出口端，10为燃气管道的入口端，11为燃气管道， 12为I型定向辐射管，13为P型定向辐射管，14为双a型定向辐射管。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明一种用于燃气热值仪上的辐射装置，包括燃烧室3和辐射管2，燃烧室3通过辐射管2的开口端伸入辐射管2中，并以与辐射管2同轴的方式安装于辐射管内部；燃烧室3底端连接烟气管道8，烟气管道8内有助燃气管道5和燃气管道11；燃烧室3、助燃气管道5的出口端位于辐射管内；烟气管道8的入口端均位于辐射管2内。
辐射管2上设有对辐射管2的壁面温度分布进行测量的抽气式热电偶 1，测点沿着辐射管2长度分布。
所述辐射管2为I型、P型、双a型。
图2所示，为本发明的辐射管的结构示意图，辐射管为I型定向辐射管，采用抽气式热电偶1对辐射管2的壁面温度分布进行测量，测点沿着辐射管2长度分布。
本发明中的辐射管2是基于I型定向辐射管(如图3A所示)，但不仅限于此，也可基于P型定向辐射管(如图3B所示)和双a型定向辐射管(如图3C所示)。
辐射管2表面温度可由抽气式热电偶1测出，从而计算出辐射管2与从燃烧室3出口进入的烟气进行热交换得到的辐射热流量。
本发明用于燃气热值仪上的辐射装置的工作过程为：
将一定数量的燃气通过燃气管道11和一定数量的助燃空气通过助燃气管道5在燃烧室3内完全燃烧，产生烟气，燃烧产生的烟气由燃烧室出口进入辐射管内。烟气与辐射管进行热交换，通过测量辐射管表面温度得出热交换得到的辐射热流量，进而计算出燃气的热值。
本发明中的燃气为煤气，此燃烧过程中，煤气与空气在进入燃烧室之前已均匀混合，属于预混燃烧，有效的防止了燃烧过程中因任何一点的气流速度大于燃烧速度而造成的脱火现象或因某一处局部的燃烧速度大于气流速度而造成的回火现象。
本发明的工作原理为：
燃气的净热值是指燃气完全燃烧放出的热量。当定量燃气和定量空气混合燃烧时，当热量收入与支出相等(燃气总发热量+空气带入的总热量+ 燃料带入的总热量＝燃烧产物烟气含有的总热量+辐射管与烟气进行热交换得到的辐射热流量)时，燃烧产物达到一个相对稳定的燃烧温度。
如图4所示，本发明用于燃气热值仪上的辐射装置的燃气热值测量方法，包括以下步骤：
1)确定燃气供给量；
2)确定空气带入的总热量；
3)确定燃料带入的总热量；
4)确定燃烧产物烟气含有的总热量；
5)确定辐射管与烟气进行热交换得到的辐射热流量；
6)根据燃烧过程中热平衡原理，利用燃烧过程中热平衡原理测量净热值。
步骤6)中，利用燃烧过程中热平衡原理测量净热值，当热量收入与支出相等时，燃烧产物达到一个相对稳定的燃烧温度，热平衡方程式如下：
BQD+BLncata+Bcftf＝BVncgtg+ΣA1ε1σT1 4
其中，B为供给量(m3/h)；QD为燃气热值(KJ/m3)；Ln为为实际空气消耗量，可表示为Ln＝nL0，n值称为“空气消耗系数”，即当n＞1时，被称为“空气过剩系数”，ca为空气的平均比热(KJ/m3·℃)，ta为空气的温度 (℃)，cf为燃料的平均比热(KJ/m3·℃)，tf为燃料的温度(℃)，Vn为燃烧产物的生成量，可表示为Vn＝V0+(Ln-L0)，当n≠1时，Vn为实际燃烧产物生成量，V0为理论燃烧产物生成量，cg为烟气的平均比热(KJ/m3·C)， tg为烟气的温度(℃)，A1为烟气对辐射管的接触面积(m2)，ε1为实际物体的发射率，一般通过实验测定，它仅取决于物体自身，即物质种类、表面温度和表面状况，而与周围环境条件无关，σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数，其值为5.67×10-8W/(m2·K4)，T1为辐射管表面热力学温度(K)。
Vn和V0之差别在于n＝1时比n＞1时的燃烧产物生成量少一部分过剩空气量，故可写出Vn-V0＝Ln-L0，即实际燃烧产物生成量Vn表示为 Vn＝V0+(Ln-L0)。
本发明方法利用燃烧过程中热平衡原理(热量收入＝热量支出)测量净热值，其中属于热量的收入有：(1)燃料的化学热，即燃料发热量QD；(2) 空气带入的物理热量Qa；(3)燃料带入的物理热量Qf；属于热量的支出有：燃烧产物烟气含有的物理热量Qg、辐射管与烟气进行热交换得到的辐射热流量Q1。
本实施例中，步骤1)，确定供给量。供给量B由燃烧器上的流量计直接读取,某厂采用焦炉煤气和高炉煤气的混合煤气(煤气成分可由化验室分析测出)，其中每小时的供给量为3200，即B＝3200m3/h。
步骤2)，确定空气带入的总热量。为保证完全燃烧，要求空气系数为 n＝1.05，该煤气燃烧的理论空气需要量为L0＝1.77m3/m3，得出实际空气消耗量为Ln＝nL0＝1.05×1.77＝1.86m3/m3。空气温度ta＝300℃时，查表可得空气的平均比热ca＝1.30KJ/m3·℃，由此计算出空气带入的总热量为 BLncata＝3200×1.86×1.30×300＝2×106KJ/h。
步骤3)，确定燃料带入的总热量。燃料温度tf＝300℃时，查表可得燃料的平均比热cf＝1.42KJ/m3·℃，由此计算出燃料带入的总热量为 Bcftf＝3200×1.42×300＝1.3×106KJ/h。
步骤4)，确定燃烧产物烟气含有的总热量。该煤气的理论烟气生成量为V0＝2.57m3/m3，得出Vn＝V0+(Ln-L0)＝2.57+(1.86-1.77)＝2.66m3/m3。采用热电偶测温，读取仪表数据，烟气温度为tg＝1376℃，查表可得烟气的平均比热cg＝1.59KJ/m3℃，由此计算出燃烧产物烟气含有的总热量为 BVncgtg＝3200×2.66×1.59×1376＝2×107KJ/h。
步骤5)，确定辐射管与烟气进行热交换得到的辐射热流量。测量辐射管壁面的温度分布，采用抽气式热电偶对辐射管的外壁面温度分布进行测量，测点沿着辐射管长度分布，如图2所示。由热电偶和数字显示表测出辐射管表面共六个测点的热力学温度，取其平均值为T1＝1653K。为保证此热过程属于均匀制度，烟气温度与辐射管壁面的温度之差最好小于5℃，即 maxΔt＜5℃。若maxΔt＞5℃，则可通过修正系数进行修正。定向辐射管采用I型定向辐射管，管长为1500mm，管内径为190mm，定向辐射管材质为1Cr18Ni9Ti，计算烟气对辐射管的接触面积为A1＝0.57m2。实际物体的发射率通过实验测定为ε1＝0.75。σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数，其值为σ＝5.67×10-8W/m2·K4。最终测出辐射管与烟气进行热交换得到的辐射热流量为ΣA1ε1σT1 4＝2×105W＝2×105×3.6＝7.2×105KJ/h。
步骤6)，根据燃烧过程中热平衡原理(热量收入＝热量支出)即燃气总发热量+空气带入的总热量+燃料带入的总热量＝燃烧产物烟气含有的总热量+辐射管与烟气进行热交换得到的辐射热流量即热平衡公式可得： 3200QD+2×106+1.3×106＝2×107+7.2×105，由此计算出燃气热值为 QD＝5443.75KJ/m3。
本发明利用测量辐射管表面温度，应用热量平衡原理测量出净热值，相较于传统的测量方式，此方法操作更加简单，测量更加方便。本发明利用抽气式热电偶对辐射管表面测温，响应速度快，动态工况适应性强。本发明所述的燃气为煤气，此燃烧过程中，煤气与空气在进入燃烧室之前已均匀混合，属于预混燃烧，有效的防止了燃烧过程中的脱火或回火现象。本发明合理的结构组合，生产工艺简单，维护简单，价格低，不产生维护费用，更方便用户的使用。

Claims (8)

1.一种用于燃气热值仪上的辐射装置，其特征在于：包括燃烧室和辐射管，燃烧室通过辐射管的开口端伸入辐射管中，并以与辐射管同轴的方式安装于辐射管内部；燃烧室底端连接烟气管道，烟气管道内设有助燃气管道和燃气管道；燃烧室、助燃气管道的出口端位于辐射管内；烟气管道入口端均位于辐射管内。
2.根据权利要求1所述的用于燃气热值仪上的辐射装置，其特征在于：辐射管上设有对辐射管的壁面温度分布进行测量的抽气式热电偶，测点沿着辐射管长度分布。
3.根据权利要求1所述的用于燃气热值仪上的辐射装置，其特征在于：所述辐射管为I型、P型、双a型。
4.根据权利要求1所述的用于燃气热值仪上的辐射装置的燃气热值测量方法，其特征在于包括以下步骤：
1)确定燃气供给量；
2)确定空气带入的总热量；
3)确定燃料带入的总热量；
4)确定燃烧产物烟气含有的总热量；
5)确定辐射管与烟气进行热交换得到的辐射热流量；
6)根据燃烧过程中热平衡原理，利用燃烧过程中热平衡原理测量净热值。
5.根据权利要求4所述的用于燃气热值仪上的辐射装置的燃气热值测量方法，其特征在于：
根据热量平衡原理，当热量收入与支出相等时，燃烧产物达到一个相对稳定的燃烧温度，热平衡方程式如下：
BQD+BLncata+Bcftf＝BVncgtg+ΣA1ε1σT1 4
其中，Ln为实际空气消耗量，ca为空气的平均比热，ta为空气的温度，cf为燃料的平均比热，tf为燃料的温度，Vn燃烧产物的生成量，cg为烟气的平均比热，tg为烟气的温度，A1为烟气对辐射管的接触面积，ε1为实际物体的发射率，σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数，T1为辐射管表面热力学温度，B为供给量；
通过以上热平衡公式计算出燃气热值QD。
6.根据权利要求5所述的用于燃气热值仪上的辐射装置的燃气热值测量方法，其特征在于：实际空气消耗量Ln表示为Ln＝nL0，其中，n为空气消耗系数，当n＞1时，为空气过剩系数；L0为理论空气需要量。
7.根据权利要求5所述的用于燃气热值仪上的辐射装置的燃气热值测量方法，其特征在于：燃烧产物的生成量Vn，n为空气消耗系数；当n≠1时，Vn为实际燃烧产物生成量，V0为理论燃烧产物生成量；实际燃烧产物生成量Vn表示为Vn＝V0+(Ln-L0)。
8.根据权利要求5所述的用于燃气热值仪上的辐射装置的燃气热值测量方法，其特征在于：燃气为煤气；在燃烧过程中，煤气与空气在进入燃烧室。
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