不同气源燃气热水器的经济性与环保性的研究

       关键词：不同气源；燃气热水器；经济性；环保性
        1.引言
        上海市是中国最早使用燃气的城市，目前主要使用天然气、人工煤气和液化石油气三种气源，家用燃气热水器也主要使用这三种气源。三种气源的燃气热水器虽然都能为人们提供热水器进行淋浴、洗漱等，但三种气源的燃气热水器在经济性和环保性方面还是存在着一定的差别。因此，研究这两方面的差别有利于正确指导人们购买更为适合自己、更为经济环保的燃气热水器。
        2.不用气源燃气热水器的经济性研究

        目前，上海市场的天然气价格为每立方米2.10元；人工煤气价格为每立方米1.05元；钢瓶液化石油气的平均价为每瓶80元左右，每瓶钢瓶液化石油气的燃气重量为15kg，由于各钢瓶液化石油气中的燃气成分比例接近于液化石油气20Y的燃气成分比例，现假设钢瓶液化石油气中的燃气成分比例为液化石油气20Y的燃气成分比例进行经济性方面的计算，已知液化石油气20Y的燃气成分比例为：C₃H₈-75%，C₄H₁₀-25%，查常用气体物理特性可知C₃H₈的密度为2.0102kg/m³，C₄H₁₀的密度为2.7030kg/m³，一般而言钢瓶液化石油气的充气重量为15kg，则每瓶钢瓶液化石油气的平均燃气体积为：

        每立方米液化石油气的价格为11.65元左右。假设需要燃烧产生18900kcal/Nm³的热量(折合约22kW，相当于11L的燃气热水器的额定热负荷)，那么分别使用三种气源的燃气热水器，各需要消耗多少金钱呢？具体计算结果见表1。
        为了更为直观地反应出不同气源燃气热水器在要求燃烧产生相同热量情况下的经济性比较，现将计算结果绘制成图进行分析，见图1。

        从以上图表分析可知：在要求燃烧产生相同热量的情况下，以天然气为气源的燃气热水器最为经济，价格最为便宜；而以人工煤气为气源的燃气热水器次之，其价格约是天然气价格的1.20倍；价格最为昂贵的是以液化石油气为气源的燃气热水器，其价格约是天然气价格的1.66倍。因此，使用以天然气为气源的燃气热水器最为经济，应大力推广天然气能源。
        3.不用气源燃气热水器的环保性研究
        3.1 燃烧产生相同热量情况下不同气源燃气热水器环保性的研究
        在燃烧产生相同热量情况下，以天然气为气源的燃气热水器最为经济，以液化石油气为气源的燃气热水器金钱消耗最为昂贵。那么在燃烧产生相同热量情况下不同气源燃气热水器的环保性又是怎样的呢？同样假设需要燃烧产生18900×4.186kJ/m³的热量，那么燃烧理论空气消耗量和理论烟气产生量又是哪个气源的最多呢？燃烧产生“温室气体”二氧化碳的量又是哪个气源产生的最多呢？下面通过理论燃烧反应方程式进行计算分析。
        以天然气为气源的燃气热水器使用的天然气12T成分比例：CH₄—100%进行计算，其理论燃烧反应方程式如下所示：

        其理论空气消耗量、理论烟气产生量以及二氧化碳生成量的计算如下所示：

        以人工煤气为气源的燃气热水器使用的人工煤气5R的成分比例：CH₄—19%，H₂—54%，N₂—27%进行计算，其理论燃烧反应方程式如下所示：

       其理论空气消耗量、理论烟气产生量以及二氧化碳生成量的计算如下所示：

        以液化石油气为气源的燃气热水器使用的液化石油气20Y成分比例：C₃H₈—75%，C₄H₁₀—25%进行计算，其理论燃烧反应方程式如下所示：

        其理论空气消耗量、理论烟气产生量以及二氧化碳生成量的计算如下所示：

       将不同气源燃气热水器在燃烧产生相同热量的情况下各理论空气消耗量、理论烟气产生量以及二氧化碳生成量计算结果见表2。

        从表2分析可知：三种气源的燃气热水器在燃烧产生相同热量的情况下，以天然气为气源的燃气热水器燃烧消耗的理论空气量相对最多；以人工煤气为气源的燃气热水器燃烧产生的理论烟气量相对最多，产生的二氧化碳量相对最少。这是由于人工煤气气源成分中的氮气成分不参与燃烧反应，而且燃气成分中的氢气成分较多，而氢气所消耗的氧气是最少的，以至于消耗的理论空气量最少，而另一方面燃气成分中的氮气成分直接变成烟气成分的一部分，以至于产生的理论烟气量最大。三种气源中以液化石油气为气源的燃气热水器燃烧产生的二氧化碳量相对最多，这是由于液化石油气的燃气成分中含碳量最多。虽然以人工煤气为气源的燃气热水器产生的二氧化碳量最少，但是人工煤气是三种气源中相对含杂质最多的燃气气源，其燃烧还会产生相对较多的硫化物，不仅会对人体造成伤害而且还会对环境造成污染。
        3.2 测试得到相同氧含量情况下不同气源燃气热水器环保性研究
        在燃烧产生相同热量情况下不同气源燃气热水器的理论空气消耗量和理论烟气产生量的规律已经知道，那不同气源燃气热水器在实际燃烧过程中消耗的实际空气量和产生的实际烟气量的规律又如何呢，是否与之相同呢？现假设分别燃烧以天然气为气源、人工煤气为气源、液化石油气为气源的燃气热水器各一台，测试得到的烟气含量中的氧含量均为10%，三台燃气热水器的热负荷均为18900kcal/Nm³，列出实际燃烧反应方程式进行实际空气消耗量和实际烟气产生量的计算。
        以天然气为气源燃气热水器的实际燃烧反应方程式如下所示：

        以人工煤气为气源燃气热水器的实际燃烧反应方程式如下所示：

        以液化石油气为气源燃气热水器的实际燃烧反应方程式如下所示：

        首先通过测试得到烟气中的氧含量来计算各实际燃烧反应方程式的过剩空气系数X。对于天然气12T实际燃烧反应方程式⑷，过剩空气系数X1的计算为：

        对于人工煤气5R实际燃烧反应方程式⑸，过剩空气系数X2的计算为：

        对于液化石油气20Y实际燃烧反应方程式⑹，空气系数X3的计算为：

        然后按照各实际燃烧反应方程式计算不同气源燃气热水器的实际空气消耗量和实际烟气产生量。三个实际燃烧反应方程式的左侧下划线部分为燃烧时的实际空气消耗量，右侧下划线部分为燃烧时的实际烟气产生量，分别按照以下各式进行计算。
        对于天然气12T实际燃烧反应方程式⑷，实际空气消耗量和实际烟气产生量的计算公式为：

        对于人工煤气5R实际燃烧反应方程式⑸，实际空气消耗量和实际烟气产生量的计算公式为：

        对于液化石油气20Y实际燃烧反应方程式⑹，实际空气消耗量和实际烟气产生量的计算公式为：

        将不同气源燃气热水器在测试得到相同氧含量情况下的各实际空气消耗量和实际烟气产生量的计算结果见表3。

        从表3分析可知：与燃烧产生相同热量情况下理论空气消耗量和理论烟气产生量的规律相同。三种气源的燃气热水器在燃烧产生相同氧含量的情况下，以天然气为气源的燃气热水器燃烧消耗的实际空气量相对最多；以人工煤气为气源的燃气热水器燃烧产生的实际烟气量相对最多。但总体而言三者消耗的空气量和产生的烟气量相差不大。而另一方面，天然气是一次能源，稍加处理即可直接使用；而人工煤气和液化石油气是二次能源，需要进行制取才能进行使用，其制取过程也是一个成本消耗和造成污染的过程。因此，应大力推广天然气这一清洁能源。
        4.小结
        从经济性角度而言：一方面，天然气是一次能源，稍加处理即可使用，节约了制取费用。另一方面，在燃烧需要产生相同热量的情况下，以天然气为气源的燃气热水器所消耗的金钱最少，最为经济；从环保性角度而言：一方面人工煤气和液化石油气是二次能源，需要进行制取才能使用，制取过程也是一个污染产生的过程。另一方面，由于人工煤气所含杂质最多的气源，以其为气源的燃气热水器除了燃烧产生二氧化碳温室气体外，还会产生硫化物对人体造成危害和对环境造成污染，而以液化石油气为气源的燃气具燃烧产生的二氧化碳量大于以天然气为气源的燃气热水器燃烧产生的二氧化碳量。因此，应大力推广天然气这一经济、环保的燃气能源，大力推行燃气热水器天然气的置换与普及工作。
        参考文献
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        [4] 姜正侯.燃气工程技术手册[M].上海：同济大学出版社，1993年. 
        [5] 张健.燃气器具燃烧过剩空气系数计算的研究[J]. 上海煤气，2008(03). 24～28.