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燃烧馏分燃料烟气中烟雾密度受供气影响测定的标准试验方法（D2157-24）
📋 概述与适用范围
ASTM D2157‑24 是用于评估馏分燃料在燃烧过程中烟气烟雾密度随助燃空气量变化关系的标准测试方法。该标准最初制定于上世纪中后期，历经多次修订，最新版本于 2024 年批准发布，反映了对住宅供暖设备燃烧清洁性与效率的持续关注。它主要适用于使用 1 号或 2 号馏分燃料油的压力雾化式和旋转式燃烧器，既可于实验室内在严格控制条件下进行燃料对比，也可在现场对指定燃烧设备的运行性能做出评价。本标准与 D2156《燃烧馏分燃料烟气烟雾密度测定方法》紧密衔接，后者提供了烟雾密度的具体测量手段（即烟雾斑点数），而 D2157‑24 则聚焦于空气供给量变化对烟雾生成行为的影响。通过这一测试，用户可以判断燃料在特定设备中的积碳倾向，也可反过来评价不同燃烧器对同一种燃料的适应能力。标准强调，测定结果以烟雾密度对烟气中二氧化碳体积分数（或过剩空气百分比）的曲线形式表达，能够直观反映燃料的清洁燃烧特性。
💡 提示：本方法不设定合格/不合格判定值，而是提供一种标准化的相对比较手段。实际使用时，应结合设备工况和燃料规格综合评估。
⚙️ 试验原理与方法
测试的核心原理是通过调节燃烧器的进风量来改变助燃空气供给程度，待燃烧状态稳定后同步检测烟气中的二氧化碳浓度和烟雾斑点数，进而建立二者之间的关系曲线。具体步骤通常包括：按照制造商的说明安装并预热燃烧设备，使用指定牌号的燃料（1 号或 2 号馏分燃料）并使燃烧器在额定供油量下运行；通过调节风门或风机速度逐步改变一次空气与二次空气的比例，每次调整后必须等待足够时间使炉膛温度、烟气成分和抽力达到平衡；在稳定工况下使用奥氏气体分析仪（或等效仪器）测量烟气中的二氧化碳体积分数，同时按照 D2156 规定的方法抽取一定体积的烟气使其通过标准滤纸，利用反射光度计确定滤纸的反射率，从而换算为烟雾斑点数（无量纲整数，数值越高表示烟气越黑）。标准要求测量点应覆盖从出现可见烟雾到基本无烟的状态，通常需要采集 5 个以上不同空气供给水平的工况点。将所得数据点绘制成以二氧化碳百分数为横坐标、烟雾斑点数为纵坐标的曲线，即可获得该燃料‑设备组合的“烟雾‑空气特性曲线”。该曲线的走势可揭示燃料开始大量生成烟炱的临界空气量，以及完全燃烧所需的最小过剩空气量。
✅ 成功要点：只有确保每个测试点都达到热平衡（烟道温度波动不超过 ±2 ℃）和燃烧稳定（CO₂读数变化小于 0.3%），所得曲线才有重复性和可比性。
📊 技术参数与指标
虽然 D2157‑24 本身不列出具体的合格限值，但测试过程中涉及多个关键参数，它们的定义、测量范围及相互换算关系是结果可靠的基础。下表归纳了标准的适用范围与技术规格。
| 🟦 项目 | 📏 规格与说明 |
|---|---|
| 适用燃料等级 | 1 号、2 号馏分燃料油（按 ASTM D396 等规格） |
| 燃烧器类型 | 压力雾化式、旋转式（不适用于汽化式或自然通风式） |
| 烟雾密度单位 | 烟雾斑点数（0～9，按 ASTM D2156 测定） |
| 烟气二氧化碳分析法 | 奥氏气体分析仪或等效方法（精度优于 0.1% 体积分数） |
| 温度测量精度 | 烟道气与进风温差记录要求 ±1 ℃ |
| 测试场所 | 实验室与现场均可，但环境风速应不影响燃烧器进风 |
测量过程中必须记录的原始数据包括：环境温度（℃）、烟道气温度（℃）、净烟道温度（二者差值）、CO₂体积分数（%）、过剩空气计算值（%）、烟雾斑点数。下表给出了这些参数的典型记录格式及单位。
| 📐 参数名称 | 🎯 单位 | ⚡ 备注 |
|---|---|---|
| 环境温度 | ℃ | 距燃烧器进风口 1 m 以内测量 |
| 烟道气温度 | ℃ | 在烟道取样孔处测量 |
| 净烟道温度 | ℃ | 为上述两温度之差，用于评估热损失 |
| 烟道气 CO₂ 含量 | %（体积分数） | 奥氏分析或等效仪器直接读出 |
| 过剩燃烧空气 | % | 根据 CO₂ 及燃料碳氢质量比计算得出 |
| 烟雾斑点数 | —（无量纲） | 0 为纯白滤纸，9 为全黑（参考 D2156） |
此外，标准术语部分明确给出了效率、过剩空气、净烟道温度等概念的定义。下表汇总了这些核心术语的中文表述。
| 🟦 术语 | 📏 定义（按原文翻译） |
|---|---|
| 效率 | 燃料燃烧总放热量中被设备保留而未随烟气排出的百分比 |
| 过剩燃烧空气 | 超过燃料按化学计量完全燃烧所需理论空气量的百分数 |
| 烟道气 | 燃烧过程发生后，从室内加热设备通过预定路径排出的混合气体 |
| 烟道气二氧化碳 | 用奥氏分析或等效方法测得的烟气中二氧化碳的百分浓度 |
| 净烟道温度 | 烟道内烟气温度与燃烧器进口附近环境温度的差值 |
| 烟雾密度 | 烟气中烟雾的浓度，以按 D2156 测得的烟雾斑点数表示 |
| 烟道 | 直接连接设备并引导烟气离开的结构（可水平、垂直或组合布置） |
⚠️ 注意：表格中的“烟雾斑点数 0‑9”范围引自 D2156，D2157‑24 直接引用该分级体系，使用者应熟悉 D2156 的具体操作和校准要求。
🔬 工程应用与注意事项
在实际工程中，D2157‑24 常被用于新燃料的评估、燃烧器调试以及燃烧系统的故障诊断。例如，当获得某燃料的烟雾‑CO₂曲线后，可以直观看出在同样的过剩空气水平下，哪种燃料的烟雾生成量更低，从而选出更清洁的产品；对于燃烧器生产商，则可用标准燃料测试多台设备，比较其配风性能。现场使用时，尤其需要注意取样管路不能有泄漏或冷凝水积聚，否则会严重影响 CO₂ 和烟雾的读数。标准强调，每次开启测试前必须进行仪器零点与跨度校准，滤纸的反射率标准板需定期验证。另一个关键点是燃烧器必须达到热稳定状态才可记录数据，通常要求连续运行至少 15 分钟且净烟道温度变化小于 2 ℃。如果用于对比不同燃料，应在同一台燃烧器上、相同的供油量和风门设定下完成测试，以减少变量干扰。质量控制方面，建议每两次测量之间使用参考燃料进行校验，确保系统没有因烟垢累积导致性能漂移。
🚨 关键注意：拆卸或调整燃烧器时必须遵循设备安全规范，防止燃油泄漏或回火事故。测试期间应保证室内充分通风，避免一氧化碳积聚风险。
❓ 常见问题解答
🔍 问：D2157‑24 是否可以用于评价天然气或液化石油气？
答：不能。本标准明确限定适用于 1 号和 2 号馏分燃料油（即民用燃油），其燃烧特性与气态燃料有本质差异。被测燃料的碳氢比直接影响过剩空气的计算，故不可跨燃料类型使用。
答：不能。本标准明确限定适用于 1 号和 2 号馏分燃料油（即民用燃油），其燃烧特性与气态燃料有本质差异。被测燃料的碳氢比直接影响过剩空气的计算，故不可跨燃料类型使用。
💡 问：为什么结果要表达为烟雾密度对 CO₂ 的曲线而不是对过剩空气的曲线？
答：两个坐标都可以使用，但 CO₂ 浓度可以直接通过奥氏分析测量，结果稳定可靠；而过剩空气需要通过 CO₂ 和燃料碳氢比计算得出，引入了额外的不确定度。标准允许两种表达方式，但推荐优先使用 CO₂ 坐标以便比对。
答：两个坐标都可以使用，但 CO₂ 浓度可以直接通过奥氏分析测量，结果稳定可靠；而过剩空气需要通过 CO₂ 和燃料碳氢比计算得出，引入了额外的不确定度。标准允许两种表达方式，但推荐优先使用 CO₂ 坐标以便比对。
⚡ 问：测试时发现烟雾斑点数波动很大，可能的原因是什么？
答：首先检查燃烧是否达到热平衡，烟道温度和 CO₂ 读数必须稳定。其次确认采样滤纸架是否密封、采样流量是否恒定（通常应为 1000 mL/min 左右），以及滤纸是否受潮。如果排除这些因素后波动依然存在，则可能是燃料本身不均匀或燃烧器油压不稳定。
答：首先检查燃烧是否达到热平衡，烟道温度和 CO₂ 读数必须稳定。其次确认采样滤纸架是否密封、采样流量是否恒定（通常应为 1000 mL/min 左右），以及滤纸是否受潮。如果排除这些因素后波动依然存在，则可能是燃料本身不均匀或燃烧器油压不稳定。
📌 问：如何确定最少需要采集多少个工况点？
答：标准并未规定固定数目，但要求曲线能够覆盖从冒烟明显到基本无烟的区域。实际操作中通常选取 5～7 个不同的空气设定，至少包含一个处于显著冒烟状态（烟雾斑点数≥5）和一个接近无烟状态（烟雾斑点数≤2）的数据点。
答：标准并未规定固定数目，但要求曲线能够覆盖从冒烟明显到基本无烟的区域。实际操作中通常选取 5～7 个不同的空气设定，至少包含一个处于显著冒烟状态（烟雾斑点数≥5）和一个接近无烟状态（烟雾斑点数≤2）的数据点。
🎯 问：该标准是否涉及燃烧效率的计算？
答：术语部分给出了“效率”的定义，但 D2157‑24 本身不要求计算效率。效率的测定需要结合净烟道温度、过剩空气和烟气中可燃成分等参数，可参照其他专门标准（如 ASTM 相关烟气损失法）进行。本标准的重点仅在于建立烟雾密度与空气供给量的关系，而非直接导出效率值。
答：术语部分给出了“效率”的定义，但 D2157‑24 本身不要求计算效率。效率的测定需要结合净烟道温度、过剩空气和烟气中可燃成分等参数，可参照其他专门标准（如 ASTM 相关烟气损失法）进行。本标准的重点仅在于建立烟雾密度与空气供给量的关系，而非直接导出效率值。
