CN111589316B - 一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，包括掺氢模块、空气进气模块、燃烧热值测量模块及废气处理模块；所述掺氢模块与空气进气模块相连通，并通过空气进气模块将空气及混合器送入燃烧热值测量模块，最后通过废气处理模块进行排出。本发明的有益效果是：该家用燃气实时掺氢与热值测量系统，有机的整合了掺氢模块、燃烧热值测量模块和废气处理模块，为实际应用实验测试提供方案和指导；此外，对于混合气体质量流率的精准控制和燃烧废弃物排放的有效分析，进一步提高实验装置安全性和降低对环境的污染物排放。
Description
技术领域
本发明属于家用燃气燃烧高效节能和清洁能源技术应用领域，具体涉及一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统。
背景技术
随着可再生能源的大力发展，我国利用可再生能源制氢的技术水平与能力已大幅提高，而利用氢能包括氢气储运与市场消纳氢气的能力依然不足。早在30年前就有学者提出，掺氢天然气(HCNG)可以取代天然气(CNG)用于内燃机燃烧做功。虽然目前已有许多针对掺氢天然气内燃机的研究表明掺氢天然气燃烧有很多优点包括更高的火焰速度,更易燃以及更低的碳排放，但是此技术并未根本解决氢气难储运的问题。通过已有的天然气管道输送HCNG以用于燃气灶燃烧，不但较为便捷地解决了氢气输运的问题而且大幅提高了市场消纳氢气的能力。
目前，关于HCNG用于燃气灶燃烧的研究并不多见，主要体现在掺氢工艺方法、混合气体燃烧机理两方面。研究掺氢工艺的难点在于充分混合(减小H2与CNG分层现象)。目前，大部分学者着眼于利用相对较大的混合容器，提高混合接触面积与时间，尽量使H2与CNG在混合容器中混合均匀。虽然混合容器对储用量相对较小内燃机较为适用，但是对于用量较大且波动性较大的社区燃气供给不一定适用。因为混合容器尺寸较大且存在较大的漏氢风险。此外，HCNG燃烧机理也存在很多不确定性。虽然内燃机HCNG燃烧机理相关研究较多也可以借鉴，但是内燃机主要关注做功能力与燃烧热值的关系(功热转换)，而燃气灶主要考虑的是放热过程快慢、燃烧是否充分以及燃烧热值大小。此外内燃机内燃烧是定容过程，而燃气灶燃烧是定压过程。因此综合理论与实验研究HCNG混合与燃烧机理十分重要。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了家用燃气实时掺氢与热值测量系统方案，使得家用燃气灶产品设计相关技术指标测量更为合理、便捷、准确。
本发明的技术方案如下：
一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，其特征在于，包括掺氢模块、空气进气模块、燃烧热值测量模块及废气处理模块；所述掺氢模块与空气进气模块相连通，并通过空气进气模块将空气及混合器送入燃烧热值测量模块，最后通过废气处理模块进行排出。
所述的一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，其特征在于，所述掺氢模块包括甲烷储气瓶、氢气储气瓶、配气控制系统、气体混合器、气体流量计及防回气容器；所述甲烷储气瓶及氢气储气瓶分别通过进气管路连接配气控制系统，从配气控制系统中出来的气体在气体混合器中充分混合；从气体混合器中出来的气体经过气体流量计，再进入防回气容器中。
所述的一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，其特征在于，所述燃烧热值测量模块包括复合燃烧器、温度计a、水箱、液体泵、液体流量计及温度计b；所述液体泵将水箱中的纯净水泵入管路系统，经过液体流量计后，进入复合燃烧器中，加热管路中的水，再从复合燃烧器中出来，回到水箱中，所述复合燃烧器的进口管路端设置温度计b，出口管路端设置温度计a，用来测量管路中水流的温度。
所述的一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，其特征在于，所述空气进气模块包括空气过滤器、气压平衡器、气体泵及消焰器；气外界空气经过空气过滤器和气压平衡器，通过气体泵将空气在管路中输送与防回气容器过来的混合气体一起通过消焰器在复合燃烧器中充分燃烧。
所述的一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，其特征在于，所述废气处理模块包括烟气分析仪及通风橱；复合燃烧器燃烧后产生的废气通过烟气排放出口进入烟气分析仪分析烟气成分，最后经过通风橱排出。
所述的一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，其特征在于，所述气体混合器包括氢气入口、甲烷入口、前置多孔扰流板、固体颗粒物反应床、后置多孔扰流板、气流出口及壳体；所述壳体一端设置氢气入口及甲烷入口，另一端设置气流出口，固体颗粒物反应床采用固体铁金属颗粒，固体铁金属颗粒为圆形，均匀排布在反应床中，固体颗粒物反应床的前后分别设置前置多孔扰流板及后置多孔扰流板。
所述的一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，其特征在于，所述复合燃烧器中包括气体引射器、点火装置、烟气排放出口、燃烧室、均匀导热板、水流入口及水流出口；所述气体引射器引入混合气体，通过点火装置点燃在燃烧室中燃烧充分后，经过烟气排放出口排出；燃烧室燃烧产生的高温热量经过均匀导热板将热量充分传递用来加热管路中经过水流入口进入和水流出口流出的纯净水。
所述的一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，其特征在于，所述前置多孔扰流板板间均匀设置气流孔道4个，气流孔道逆时针开孔角度为35°；
所述的一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，其特征在于，所述后置多孔扰流板，板间均匀设置气流孔道4个，气流孔道逆时针开孔角度为逆时针145°。
所述的一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，其特征在于，所述燃烧热值测量模块的燃烧热值测量方法如下：
1)通过设置在管路进口处设置温度计b，出口处设置温度计a分别测量得到两个温度值T′in和T′out，
根据能量计算公式：Q燃烧＝cqmΔ(T′out-T′in)；
得到加热段所需要的热量，其中c为水的比热容，qm为液体流量计所测得的水流量；
2)对于给定摩尔组分理想燃气组分，在燃烧温度t1和压力p1、计量温度t2和压力p2时的理想气体高热值计算公式如下：
式中：H0[t1,V(t2,p2)]为理想混合气体体机高热值(J/m3)，为理想混合气体摩尔高热值(J/m3)，R为摩尔气体常数，T2为绝对温度(T2＝t2+273.15)(K)；
3)加热段所需要的热量Q燃烧由混合气体燃烧产生的热量提供，有能量守恒定律可知，Q燃烧＝H0[t1,V(t2,p2)]，计量温度t2取两个温度值T′in和T′out的算数平均值，压力p1和压力p2均为25℃下标准大气压值1atm，根据高热值计算公式可得到在燃烧温度t1时的混合气体燃烧热值即为燃烧热值测量模块所测得的值；
4)引入华白数，华白数是代表燃气特性的一个参数，其大小为燃气的高热值与燃气相对密度的平方根之比，理想气体华白数计算公式：对于给定组分的理想混合燃气，当体积计量压力p2不变时，理想气体华白数W0[t1,V(t2,p2)]只与气体摩尔高热值成正比，与体积计量参比温度T2成反比，即：
理想气体比重计算公式：
式中：Mj为组分j的摩尔质量；Mair为干空气摩尔质量；j为气体组分种类数(取值1,2,3……N)，Xj为组分j气体的占总理想气体的百分比，通过上式计算出的华白数。
本发明的有益效果是：
1)该家用燃气实时掺氢与热值测量系统，在原有家用燃气气源供应燃烧的基础上，采用管路中掺氢的方式，将氢气与甲烷充分混合，使得在燃烧过程中产生较高的热值，提高能量的利用率；
2)该家用燃气实时掺氢与热值测量系统，有机的整合了掺氢模块、燃烧热值测量模块和废气处理模块，为实际应用实验测试提供方案和指导；此外，对于混合气体质量流率的精准控制和燃烧废弃物排放的有效分析，进一步提高实验装置安全性和降低对环境的污染物排放。
附图说明
图1为本发明的实验系统原理图；
图2为本发明的气体混合器模型结构剖视图；
图3为本发明的前置多孔扰流板结构剖视图；
图4为本发明的后置多孔扰流板结构剖视图；
图5为本发明的燃烧室模型示意图；
图中：1-甲烷储气瓶、2-氢气储气瓶，3-配气控制系统，4-气体混合器，401-氢气入口，402-甲烷入口，403-前置多孔扰流板，404-固体颗粒物反应床，405-后置多孔扰流板，406-气流出口，407-壳体，5-气体流量计，6-防回气容器，7-空气过滤器，8-气压平衡器，9-气体泵，10-消焰器，11-复合燃烧器，1101-气体引射器，1102-点火装置，1103-烟气排放出口，1104-燃烧室，1105-均匀导热板，1106-水流入口，1107-水流出口，12-温度计a，13-水箱，14-液体泵，15-液体流量计，16-温度计b，17-烟气分析仪，18-通风橱。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步描述。
如图1-5所示，一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，包括掺氢模块、空气进气模块、燃烧热值测量模块及废气处理模块。
掺氢模块包括甲烷储气瓶1、氢气储气瓶2、配气控制系统3、气体混合器4、气体流量计5及防回气容器6，甲烷储气瓶1和氢气储气瓶2气流分别通过配气控制系统3控制气体流量，使得气体在气体混合器4混合，气体流量计5对管路中混合气体的流量精准测量，防回气容器6防止混合气体由于管路压力变化使得混合气体回流至气体混合器4发生危险；掺氢模块中，打开甲烷储气瓶1和氢气储气瓶2阀门，分别通过进气管路连接配气控制系统3，从配气控制系统3中出来的气体在气体混合器4中充分混合；进一步地，从气体混合器4中出来的气体经过气体流量计5，再经过防回气容器6；防回气容器6内有一定容量的纯净水，混合气体通过防回气容器6的进气管进入，在水中过滤后，经过防回气容器6的出气管排出；
气体混合器4所述气体混合器4包括氢气入口401、甲烷入口402、前置多孔扰流板403、固体颗粒物反应床404、后置多孔扰流板405、气流出口406及壳体407；固体颗粒物反应床404为常用金属铁，固体铁金属颗粒为圆形，均匀排布在反应床中。在固体颗粒物反应床404的前后设置前置多孔扰流板403和后置多孔扰流板405，一方面能够有效的固定固体颗粒物反应床404中的固体铁金属颗粒，另一方面也能够通过前后多孔扰流板不一样的气孔布置方式，使得混合气体在固体颗粒物反应床404中混合更加均匀；前置多孔扰流板403如图3所示，板长度L＝300mm，高度H＝250mm，厚度W＝50mm，板间均匀设置气流孔道4个，直径D为30mm，气流孔道逆时针开孔角度为35°；后置多孔扰流板405如图4所示，参数设置条件与前置多孔扰流板403相同，却别在于设置的气流孔道开孔角度为逆时针145°，前后开孔的气流角度不一样，进一步地提高了混合气体的均匀性，使得燃气燃烧性能更为显著。
空气进气模块包括空气过滤器7、气压平衡器8、气体泵9及消焰器10；外界空气经过空气过滤器7和气压平衡器8，通过气体泵9将空气在管路中输送与防回气容器6过来的混合气体一起通过消焰器10在复合燃烧器11中充分燃烧，气压平衡器8主要用于平衡系统进气管路与外界压差；消焰器10的作用是防止复合燃烧器11产生气体燃烧回火在管路中发生爆炸危险。
燃烧热值测量模块包括复合燃烧器11、温度计a12、水箱13、液体泵14、液体流量计15及温度计b16；液体泵14将水箱13中的纯净水泵入管路系统，经过液体流量计15后，进入复合燃烧器11中，加热管路中的水，再从复合燃烧器11中出来，回到水箱13中完成循环；在复合燃烧器11的进口管路端设置温度计b16，出口管路端设置温度计a12，用来测量管路中水流的温度；在复合燃烧器11的管路进口处设置温度计b16，出口处设置温度计a12，两个温度计的规格一样，均为WSS万向形双金属温度计，表盘直径D＝60mm，连接方式为可动内螺纹，精度等级1.5，热响应时间≤40s，防护等级IP55；
在复合燃烧器11中，混合气体HCNG燃烧包含CH4燃烧与H2燃烧两个燃烧反应，化学反应式为：
CH4+2O2＝CO2+2H2O
2H2+O2＝2H2O
HCNG燃烧本质为以上两个燃烧反应耦合的传热传质过程。研究燃烧机理包括燃烧反应的传热与传质过程，重点与难点均在于燃烧速度(反应速率)的确定。根据湍流夹带燃烧模型(Turbulent entrainment combustion model)，燃烧速度主要受到反应气体的流速与线性燃烧速率(Laminar burning velocity)的制约。
复合燃烧器11中包括气体引射器1101、点火装置1102、烟气排放出口1103、燃烧室1104、均匀导热板1105、水流入口1106及水流出口1107；复合燃烧器11中气体引射器1101引入混合气体，通过点火装置1102点燃在燃烧室1104中燃烧充分后，经过烟气排放出口1103排出；燃烧室1104燃烧产生的高温热量经过均匀导热板1105将热量充分传递用来加热管路中经过水流入口1106进入和水流出口1107流出的纯净水。
废气处理模块包括烟气分析仪17及通风橱18；在复合燃烧器的11上端设置排气出口，燃烧后的烟气通过管路排放至烟气分析仪17，最后经过通风橱18向室外环境排放，排放应符合《城镇燃气分类和基本特性》等相关标准；烟气分析仪17主要用于对家用燃气具烟气排放指标CO体积分数和NOx体积分数的测试，燃烧排放物CO体积分数是强制性指标，是对使用者身心健康和人身安全有直接影响的指标，干烟气中的CO体积分数若超出标准，则判定为不合格；燃气燃烧时在排放出CO有毒气体的同时,O2与N2会发生化学反应,生成NO和NO2等微量气体,统称为氮氧化物NOx,其对人体的毒性比CO高出很多倍,还会形成化学烟雾危害环境,近年来引起世界各国的高度重视。NOx的产生与燃烧温度、烟气中O2含量等因素有关，研究表明，NOx体积分数随着掺氢百分比的增加呈逐渐下降的趋势。
一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统的燃烧热值测量模块燃烧热值测量过程如下：
1)通过设置在管路进口处设置温度计b16，出口处设置温度计a12分别测量得到两个温度值T′in和T′out，根据能量计算公式：Q燃烧＝cqmΔ(T′out-T′in)得到加热段所需要的热量，其中c为水的比热容，qm为液体流量计15所测得的水流量；
2)对于给定摩尔组分理想燃气组分，在燃烧温度t1和压力p1、计量温度t2和压力p2时的理想气体高热值计算公式如下：
式中：H0[t1,V(t2,p2)]为理想混合气体体机高热值(J/m3)，为理想混合气体摩尔高热值(J/m3)，R为摩尔气体常数，T2为绝对温度(T2＝t2+273.15)(K)；
3)加热段所需要的热量Q燃烧由混合气体燃烧产生的热量提供，有能量守恒定律可知，Q燃烧＝H0[t1,V(t2,p2)]，计量温度t2取两个温度值T′in和T′out的算数平均值，压力p1和压力p2均为25℃下标准大气压值1atm，根据高热值计算公式可以得到在燃烧温度t1时的混合气体燃烧热值即为燃烧热值测量模块所测得的值；
4)引入华白数，华白数是代表燃气特性的一个参数，其大小为燃气的高热值与燃气相对密度的平方根之比，理想气体华白数计算公
对于给定组分的理想混合燃气，当体积计量压力p2不变时，理想气体华白数W0[t1,V(t2,p2)]只与气体摩尔高热值成正比，与体积计量参比温度T2成反比，即：
查阅相关文献可得，理想气体比重计算公式：式中：Mj为组分j的摩尔质量；Mair为干空气摩尔质量(28.9626kg/mol)，j为气体组分种类数(取值1,2,3……N)，Xj为组分j气体的占总理想气体的百分比；通过上式计算出的华白数，又叫互换性指数和热负荷指数。若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同一热负荷。如果其中一种燃气的华白数较另一种大，则热负荷也较另一种大。因此华白数又称热负荷指数；如果两种燃具有相近的华白数，则在互换时能使燃具保持相似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少。因此，华白数也是一个互换性指数；
本发明巧妙地将掺氢模块、燃烧热值测量模块和废气处理模块有效地组合在一起，形成一个新颖实用的高效家用燃气实时掺氢(HCNG)与热值测量系统。已知在5％-20％的掺氢天然气的家用燃气具烟气排放指标满足标准要求,并且排放烟气中的CO与NOx体积分数随着氢气的增加而呈现降低趋势,对未来开展管道掺氢项目以降低碳排放及污染物排放具有理论和实践指导意义。因此，在原有家用燃气气源供应燃烧的基础上，采用管路燃气运输过程中掺氢的方式，将氢气与甲烷充分混合，使得在燃烧过程中产生较高的热值，提高能量的利用率；此外，该家用燃气实时掺氢(HCNG)与热值测量系统，有机的整合了掺氢模块、燃烧热值测量模块和废气处理模块，为实际应用实验测试提供方案和指导，对混合气体质量流率的精准控制和燃烧废弃物排放的有效分析，进一步提高实验装置安全性和降低对环境的污染物排放。
本发明设计并搭建实时掺氢与热值测量实验平台，实现不同组分下HCNG实时掺氢以及热值测量。根据所测热值，计算燃烧互换性主要指标之一的华白数。建立HCNG燃烧模型，研究不同组分与流量下HCNG燃烧速度，计算燃烧互换性另一个主要指标燃烧势。在此基础上，通过与《城镇燃气分类和基本特性》等天然气掺氢互换性相关规范的计算方法对比，确定规范适用范围，提出规范修正方案。进一步地，对于家用燃气灶产业产品设计相关技术指标测量具有一定的借鉴和指导意义。
Claims (6)
1.一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，其特征在于，包括掺氢模块、空气进气模块、燃烧热值测量模块及废气处理模块；所述掺氢模块与空气进气模块相连通，并通过空气进气模块将空气及混合器送入燃烧热值测量模块，最后通过废气处理模块进行排出；
所述掺氢模块包括甲烷储气瓶(1)、氢气储气瓶(2)、配气控制系统(3)、气体混合器(4)、气体流量计(5)及防回气容器(6)；所述甲烷储气瓶(1)及氢气储气瓶(2)分别通过进气管路连接配气控制系统(3)，从配气控制系统(3)中出来的气体在气体混合器(4)中充分混合；从气体混合器(4)中出来的气体经过气体流量计(5)，再进入防回气容器(6)中；
所述燃烧热值测量模块包括复合燃烧器(11)、温度计a(12)、水箱(13)、液体泵(14)、液体流量计(15)及温度计b(16)；所述液体泵(14)将水箱(13)中的纯净水泵入管路系统，经过液体流量计(15)后，进入复合燃烧器(11)中，加热管路中的水，再从复合燃烧器(11)中出来，回到水箱(13)中，所述复合燃烧器(11)的进口管路端设置温度计b(16)，出口管路端设置温度计a(12)，用来测量管路中水流的温度；
所述气体混合器(4)包括氢气入口(401)、甲烷入口(402)、前置多孔扰流板(403)、固体颗粒物反应床(404)、后置多孔扰流板(405)、气流出口(406)及壳体(407)；所述壳体(407)一端设置氢气入口(401)及甲烷入口(402)，另一端设置气流出口(406)，固体颗粒物反应床(404)采用固体铁金属颗粒，固体铁金属颗粒为圆形，均匀排布在反应床中，固体颗粒物反应床(404)的前后分别设置前置多孔扰流板(403)及后置多孔扰流板(405)；
燃烧热值测量模块的燃烧热值测量方法如下：
1)通过设置在管路进口处设置温度计b，出口处设置温度计a分别测量得到两个温度值T′in和T′out，
根据能量计算公式：Q燃烧＝cqmΔ(T′out-T′in)；
得到加热段所需要的热量，其中c为水的比热容，qm为液体流量计所测得的水流量；
2)对于给定摩尔组分理想燃气组分，在燃烧温度t1和压力p1、计量温度t2和压力p2时的理想气体高热值计算公式如下：
式中：H0[t1,V(t2,p2)]为理想混合气体高热值(J/m3)，为理想混合气体摩尔高热值(J/m3)，R为摩尔气体常数，T2为绝对温度T2＝(t2+273.15)(K)；
3)加热段所需要的热量Q燃烧由混合气体燃烧产生的热量提供，有能量守恒定律可知，Q燃烧＝H0[t1,V(t2,p2)]，计量温度t2取两个温度值T′in和T′out的算数平均值，压力p1和压力p2均为25℃下标准大气压值1atm，根据高热值计算公式可得到在燃烧温度t1时的混合气体燃烧热值即为燃烧热值测量模块所测得的值；
4)引入华白数，华白数是代表燃气特性的一个参数，其大小为燃气的高热值与燃气相对密度的平方根之比，理想气体华白数计算公式：
对于给定组分的理想混合燃气，当体积计量压力p2不变时，理想气体华白数W0[t1,V(t2,p2)]只与气体摩尔高热值成正比，与体积计量参比温度T2成反比，即：
理想气体比重计算公式：
式中：Mj为组分j的摩尔质量；Mair为干空气摩尔质量；j为气体组分种类数，j取值1,2,3……N，Xj为组分j气体的占总理想气体的百分比，通过上式计算出的华白数。
2.根据权利要求1所述的一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，其特征在于，所述空气进气模块包括空气过滤器(7)、气压平衡器(8)、气体泵(9)及消焰器(10)；气外界空气经过空气过滤器(7)和气压平衡器(8)，通过气体泵(9)将空气在管路中输送与防回气容器(6)过来的混合气体一起通过消焰器(10)在复合燃烧器(11)中充分燃烧。
3.根据权利要求2所述的一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，其特征在于，所述废气处理模块包括烟气分析仪(17)及通风橱(18)；复合燃烧器(11)燃烧后产生的废气通过烟气排放出口(1103)进入烟气分析仪(17)分析烟气成分，最后经过通风橱(18)排出。
4.根据权利要求1所述的一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，其特征在于，所述复合燃烧器(11)包括气体引射器(1101)、点火装置(1102)、烟气排放出口(1103)、燃烧室(1104)、均匀导热板(1105)、水流入口(1106)及水流出口(1107)；所述气体引射器(1101)引入混合气体，通过点火装置(1102)点燃在燃烧室(1104)中燃烧充分后，经过烟气排放出口(1103)排出；燃烧室(1104)燃烧产生的高温热量经过均匀导热板(1105)将热量充分传递用来加热管路中经过水流入口(1106)进入和水流出口(1107)流出的纯净水。
5.根据权利要求1所述的一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，其特征在于，所述前置多孔扰流板(403)板间均匀设置气流孔道4个，气流孔道逆时针开孔角度为35°。
6.根据权利要求1所述的一种高效家用燃气实时掺氢与热值测量系统，其特征在于，所述后置多孔扰流板(405)，板间均匀设置气流孔道4个，气流孔道逆时针开孔角度为逆时针145°。
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