王天天 張 海 ,? 張 揚(yáng) ,?,2) 周 托 岳光溪

*(清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

?(二氧化碳資源利用與減排技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

在“雙碳”目標(biāo)下，氫能的發(fā)展與應(yīng)用成為近年來的研究熱點(diǎn)[1]。純氫的利用受到生產(chǎn)、儲(chǔ)存和終端使用的制約，成本較高。將氫氣摻混到已有的天然氣管網(wǎng)中，形成“摻氫天然氣”，再通過管網(wǎng)輸送[2]至終端用戶燃燒利用，是大規(guī)模低成本利用氫能的潛在途徑之一[3]。因此，摻氫天然氣在燃?xì)饨K端設(shè)備中的燃燒特性受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[4-7]。

天然氣成分較為復(fù)雜，但主要成分是甲烷（>90%）[8]，由于甲烷和氫氣的物理性質(zhì)存在差異，因此，摻氫天然氣的燃料特性隨著氫氣摻混比例的變化而變化。氫氣的加入提高了燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣萚9-11]，降低了燃料的最小點(diǎn)火能量[12]，同時(shí)也拓寬了燃料的貧燃極限[13]。摻氫燃料面臨的主要問題之一在于易于發(fā)生回火，造成安全事故。燃?xì)饨K端設(shè)備中，供暖鍋爐和灶具通常安裝于住宅、辦公樓等民用場(chǎng)所，其安全問題受到格外關(guān)注。因此，掌握摻氫天然氣在鍋爐和灶具中的回火特性，對(duì)于判斷摻氫天然氣使用安全具有重要意義。

目前，一些學(xué)者已經(jīng)關(guān)注到摻氫天然氣應(yīng)用于灶具中的回火問題。Zhao等[14-16]研究了摻氫天然氣在不同形式灶具上的回火特性，發(fā)現(xiàn)在已經(jīng)穩(wěn)定燃燒的灶具中（穩(wěn)態(tài)）逐漸增加氫氣，不發(fā)生回火的最大摻氫比可達(dá)50%以上，但是如果在點(diǎn)火前燃料中已經(jīng)摻混氫氣，則在點(diǎn)火的“瞬態(tài)”過程中不發(fā)生回火的最大摻氫比降為25%。Choudhury等[17]通過實(shí)驗(yàn)研究了摻氫天然氣對(duì)家用燃?xì)鉄崴鞯挠绊?，結(jié)果表明在低于10%的摻氫比下，燃燒器可以保證燃燒穩(wěn)定性。Jones等[18]通過分析摻氫天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣入S摻氫比的變化規(guī)律，提出在燃料中氫氣的摩爾百分比不高于30%時(shí)，摻氫天然氣在實(shí)際燃燒器中的回火風(fēng)險(xiǎn)不會(huì)顯著增加。

鍋爐和灶具的運(yùn)行工況存在差異，因此摻氫天然氣應(yīng)用于鍋爐時(shí)，其回火特性也與應(yīng)用于灶具時(shí)不盡相同。為了控制氮氧化物生成，中小型供暖燃?xì)忮仩t常采用預(yù)混燃燒的方式。Schiro等[19]指出，為了保證摻氫天然氣鍋爐的安全可靠運(yùn)行，必須避免回火現(xiàn)象。增加未燃側(cè)的出口流速有助于避免回火現(xiàn)象的發(fā)生[20]。de Vries等[21]通過本生燈方法測(cè)量了在回火極限下對(duì)應(yīng)的摻氫天然氣的最大摻氫比，并討論了不同摻氫比下燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?duì)回火特性的影響。Colorado等[22]通過在貧燃預(yù)混燃燒的表面燃燒器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得了不同組分的摻氫天然氣在定熱流密度下的回火和吹熄特性。

根據(jù)上述文獻(xiàn)調(diào)研可知，國內(nèi)外已有的相關(guān)研究，雖然已經(jīng)獲得了大量摻氫天然氣預(yù)混燃燒回火基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且積累了少量灶具、鍋爐等設(shè)備上的回火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但仍存在如下的局限性：

首先，文獻(xiàn)中已有的關(guān)于回火的研究，尚未細(xì)致分析燃燒設(shè)備入口條件的差異。由于甲烷和氫氣物理化學(xué)性質(zhì)差異顯著，天然氣摻氫后會(huì)帶來密度、熱值等參數(shù)的顯著變化，這使得摻氫天然氣燃燒設(shè)備的燃料和空氣入口條件（流速、當(dāng)量比等）發(fā)生變化（詳見第2節(jié)所述），導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣仍趯?shí)際設(shè)備中的變化規(guī)律較為復(fù)雜，進(jìn)而影響到回火現(xiàn)象。而已有文獻(xiàn)缺乏對(duì)該問題的關(guān)注，導(dǎo)致不同文獻(xiàn)中得到的回火極限數(shù)據(jù)并不一致，缺少通用性的結(jié)論。

第二，缺乏設(shè)備回火風(fēng)險(xiǎn)的表征方法。針對(duì)摻氫天然氣在鍋爐和灶具上的回火特性，學(xué)者們或是采用實(shí)驗(yàn)方法獲得保證用戶側(cè)安全穩(wěn)定運(yùn)行、不發(fā)生回火的最大摻氫比例；或是通過簡單分析摻氫天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓瑏砼袛喟l(fā)生回火的可能性。已有的研究缺乏天然氣摻氫后設(shè)備回火風(fēng)險(xiǎn)的表征方法，難以根據(jù)已有結(jié)論快速判斷燃料發(fā)生變化的回火風(fēng)險(xiǎn)。

第三，對(duì)于已有文獻(xiàn)[14]中發(fā)現(xiàn)的灶具中“穩(wěn)態(tài)”和“瞬態(tài)”回火摻氫比的差異，已有文獻(xiàn)無法給出合理的解釋。

針對(duì)上述問題，本文首先討論了摻氫天然氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊然疚锢砘瘜W(xué)性質(zhì)，并校核了本文采用的數(shù)值模型的合理性；其次，針對(duì)預(yù)混燃燒的燃?xì)忮仩t和灶具，厘清燃料成分變化引發(fā)的運(yùn)行參數(shù)（如燃料流量、空氣流量、當(dāng)量比等）的變化規(guī)律；最后，通過將摻氫天然氣的基本火焰特性與設(shè)備入口參數(shù)相結(jié)合，提出了摻氫天然氣燃燒設(shè)備回火風(fēng)險(xiǎn)的表征方法，并使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)表征方法進(jìn)行了驗(yàn)證，揭示了灶具中“穩(wěn)態(tài)”和“瞬態(tài)”回火摻氫比差異的原因。

1 摻氫天然氣基礎(chǔ)物理化學(xué)性質(zhì)

天然氣的主要成分是CH4，因此本文的理論計(jì)算中采用CH4來代替天然氣。甲烷和氫氣的基本物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示。根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴罚℅B/T 13611?2018）[23]，華白數(shù)（Wobbe index，W）和燃燒勢(shì)（CP）是作為燃?xì)饣Q性判定的評(píng)價(jià)指標(biāo)。華白數(shù)的計(jì)算公式為

表1 甲烷和氫氣的基本物性參數(shù)Table 1 Basic characteristics of methane and hydrogen

式中，W表示華白數(shù)，MJ/m3；HHVfuel表示燃料體積高位熱值，MJ/m3；ρfuel和ρa(bǔ)ir分別表示燃料和空氣密度，kg/m3。

燃燒勢(shì)的計(jì)算公式為

式中，k表示燃料中氧氣含量的修正系數(shù)；XH2,XCmHn,XCO,XCH4,XO2分別表示燃料中氫氣、碳?xì)浠衔铮ǔ淄椋?、一氧化碳、甲烷和氧氣的體積分?jǐn)?shù)，%。

在摻氫天然氣中，燃料的體積高位熱值、體積低位熱值、華白數(shù)和燃燒勢(shì)隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的變化情況如圖1(a)和(b)所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加，摻氫天然氣的體積熱值線性下降，華白數(shù)先下降后上升，燃燒勢(shì)則一直增加。以甲烷作為基準(zhǔn)燃料，一般要求摻氫后燃?xì)馊A白數(shù)的變化范圍是45.76 ～ 54.78 MJ/m3，燃燒勢(shì)的變化范圍是36.3 ～ 69.3[23-24]。在此范圍內(nèi)，華白數(shù)降低至45.76 MJ/m3對(duì)應(yīng)的氫氣體積分?jǐn)?shù)約為0.4，燃燒勢(shì)升高至69.3對(duì)應(yīng)的氫氣體積分?jǐn)?shù)約為0.2。考慮到對(duì)燃?xì)忮仩t來說，華白數(shù)是更重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，且根據(jù)已有文獻(xiàn)中的結(jié)論，若將燃?xì)忮仩t運(yùn)行條件下的摻氫比限制到0.2，可能會(huì)錯(cuò)失一些有意義的結(jié)果。因此綜合考慮后，本文所研究的摻氫天然氣的氫氣體積分?jǐn)?shù)在0 ～ 0.4范圍內(nèi)。

圖1 摻氫天然氣Fig. 1 Hydrogen-enriched natural gas ( HENG )

此外，考慮摻氫天然氣在不同終端用戶上的回火特性，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L是需要重點(diǎn)關(guān)注的燃料燃燒特性。本文通過Premix代碼[25]耦合Chemkin Ⅱ程序包[26]和TRANSPORT程序包[27]，選取FFCM-1化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理[28]計(jì)算摻氫天然氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，同時(shí)與文獻(xiàn)[9-11]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。計(jì)算得到的摻氫天然氣在氫氣體積分?jǐn)?shù)XH2為0～0.4下的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L隨著當(dāng)量比Φ的變化情況如圖2所示。從圖中可以看出，在氫氣體積分?jǐn)?shù)為0和0.4時(shí)，與文獻(xiàn)[10]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好；在氫氣體積分?jǐn)?shù)為0.2時(shí)，與文獻(xiàn)[11]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。整體上，模擬的結(jié)果能夠反映摻氫天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比和摻氫比的變化規(guī)律，后面的章節(jié)將基于數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行討論。

圖2 摻氫天然氣層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比的變化Fig. 2 Variation of laminar flame speed of hydrogen-enriched natural gas as a function of equivalence ratio

2 摻氫天然氣燃燒設(shè)備運(yùn)行參數(shù)變化規(guī)律

正如引言中所述，由于甲烷和氫氣物理化學(xué)性質(zhì)差異顯著，摻氫天然氣燃燒設(shè)備的燃料和空氣入口條件（流量、當(dāng)量比等）將隨摻氫比發(fā)生變化，而這種入口條件的變化與燃燒性質(zhì)相互耦合，進(jìn)而顯著地影響回火規(guī)律。因此，在探討回火特性之前，首先要根據(jù)預(yù)混燃燒的燃?xì)忮仩t和灶具的工作條件，理清因摻氫比變化而引發(fā)的入口條件的變化規(guī)律。

2.1 燃?xì)忮仩t

通常情況下，燃?xì)忮仩t處于貧燃狀態(tài)，即Φ<1。常見的預(yù)混燃燒的燃?xì)忮仩t進(jìn)風(fēng)方式為強(qiáng)制送風(fēng)式，即通過風(fēng)機(jī)向鍋爐送入助燃空氣?？諝饬髁客ㄟ^調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率或閥門開度來控制。

在運(yùn)行過程中，燃?xì)夤艿拦┙o的壓力通常維持不變，燃料流量通過調(diào)節(jié)燃?xì)忾y門開度（即調(diào)節(jié)壓差）來控制。在燃?xì)忮仩t的使用過程中，常常存在兩種操作場(chǎng)景，其操作參數(shù)的變化規(guī)律計(jì)算方法如下。

場(chǎng)景#1

當(dāng)摻氫天然氣中XH2變化時(shí)，鍋爐操作不做任何調(diào)整，燃料管道閥門開度、風(fēng)機(jī)頻率或閥門開度均保持不變，即供氣壓差保持不變。在這種場(chǎng)景下，空氣流量Vair保持不變。但是，摻氫比變化導(dǎo)致燃料密度發(fā)生變化，其計(jì)算為

式中，ρCH4和ρH2分別表示CH4和H2的密度，kg/m3，其具體數(shù)值見表1。

則摻氫天然氣的流量計(jì)算公式為

式中，vfuel表示燃料流速，m/s；ΔPfuel表示燃料管道壓差，Pa；κ表示閥門最小流動(dòng)截面和管道主截面的面積比。通常情況下，κ的值較?。?0.2），因此可認(rèn)為，當(dāng)獲得vfuel，由于摻前后管道截面無變化，可認(rèn)為燃料流量Vfuel∝vfuel。

預(yù)混氣體的當(dāng)量比和總流量可分別根據(jù)式（6）和式（7）計(jì)算得到。

本文將以CH4為燃料的工況運(yùn)行參數(shù)作為基準(zhǔn)，把鍋爐進(jìn)口燃料體積流量、空氣體積流量、預(yù)混氣體總流量和當(dāng)量比隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)XH2的變化進(jìn)行歸一化處理，按照式（8）計(jì)算。其結(jié)果如圖3(a)所示。

圖3 氫氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)鍋爐操作參數(shù)的影響Fig. 3 Variation of operating parameters in boilers as a function of hydrogen volumetric fraction

式中，Z可指代燃料流量Vfuel，空氣流量Vair，總流量Vtotal和當(dāng)量比Φ。Z′表示歸一化之后的運(yùn)行參數(shù)，ZHENG和ZCH4分別表示摻氫天然氣燃燒時(shí)的運(yùn)行參數(shù)和甲烷燃燒時(shí)的運(yùn)行參數(shù)。

以燃?xì)忮仩t典型工況（Φ= 0.9）為例，本文重點(diǎn)關(guān)注摻氫天然氣的氫氣體積分?jǐn)?shù)為0 ～0.4范圍內(nèi)，當(dāng)燃料中氫氣體積分?jǐn)?shù)從0變化到0.4時(shí)，在保證管道供氣壓差不變時(shí)，由于燃料密度減小，進(jìn)口流量增加，空氣流量保持不變，預(yù)混燃料的當(dāng)量比降低，進(jìn)口總流量增加2.1%。在不改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)的情況下，鍋爐入爐預(yù)混氣體的流速與進(jìn)口總流量成正比。也就是說，當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)從0增加到0.4時(shí)，入爐預(yù)混氣體流速增加了2.1%。

場(chǎng)景#2

實(shí)際鍋爐運(yùn)行中，由于用戶常常對(duì)熱負(fù)荷有相應(yīng)的要求，當(dāng)摻氫天然氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化時(shí)，需要保證鍋爐燃燒熱負(fù)荷不變。在這種場(chǎng)景下，燃料的體積熱值會(huì)發(fā)生變化，其計(jì)算公式為

假定燃料完全燃燒，保證鍋爐負(fù)荷不變的條件下，燃料流量也會(huì)發(fā)生變化，其計(jì)算公式為

式中，Q表示鍋爐燃燒熱負(fù)荷，MW。

此時(shí)燃料流量的變化是用戶根據(jù)熱負(fù)荷需求主動(dòng)采取的調(diào)節(jié)，即主動(dòng)改變了燃料閥門開度和風(fēng)機(jī)頻率或空氣閥門開度。此時(shí)，燃料管道的供氣壓差會(huì)發(fā)生變化，按照燃燒器預(yù)設(shè)的控制邏輯，燃料閥門開度和風(fēng)機(jī)頻率或空氣閥門開度應(yīng)按照初始當(dāng)量比設(shè)置一一對(duì)應(yīng)。因此，需要首先將摻氫天然氣的流量按照等閥門開度原則，等效為甲烷流量，再根據(jù)初始設(shè)定的當(dāng)量比，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的空氣流量。

摻氫天然氣體積流量可按照式（11）等效為甲烷體積流量。

在管道截面積不變的情況下，流速v和體積流量V是等價(jià)的。同時(shí)，進(jìn)入鍋爐的空氣體積流量可根據(jù)式（12）計(jì)算。

其中，Φini指原燃燒器控制邏輯中，以甲烷為燃料時(shí)的固定燃燒初始當(dāng)量比。

場(chǎng)景#2的燃燒當(dāng)量比和總流量可以把式（10）和式（12）的結(jié)果代入式（6）和式（7）中計(jì)算得到。同樣地，在場(chǎng)景#2中，把鍋爐進(jìn)口燃料體積流量、空氣體積流量、預(yù)混氣體總流量和當(dāng)量比進(jìn)行歸一化處理，場(chǎng)景#2的鍋爐進(jìn)口參數(shù)的變化情況如圖3(b)所示。

同樣地，以燃?xì)忮仩t典型工況（Φ= 0.9）為例，當(dāng)燃料的氫氣體積分?jǐn)?shù)從0變化到0.4時(shí)，在保證鍋爐負(fù)荷不變時(shí)，由于燃料體積熱值減小，進(jìn)口流量增加，空氣進(jìn)口流量隨XH2的增大而增加，總流量變化趨勢(shì)與空氣體積流量的變化趨勢(shì)相近，預(yù)混燃料的當(dāng)量比降低。在不改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)的情況下，當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)從0增加到0.4時(shí)，鍋爐入爐預(yù)混氣體流速增加了14.4%。

通過比較圖3(a)和(b)可知，場(chǎng)景#1和場(chǎng)景#2下預(yù)混燃料的當(dāng)量比隨氫氣體積分?jǐn)?shù)的變化是一致的，這是因?yàn)閳?chǎng)景#1和場(chǎng)景#2中進(jìn)口燃料和空氣體積流量的變化都與管道供氣壓差密切相關(guān)。在場(chǎng)景#1中，空氣體積流量不變，燃料體積流量由于密度減小而增大，當(dāng)量比降低；在場(chǎng)景#2中，燃料體積流量由于體積熱值減小而增大，但在確定其對(duì)應(yīng)的空氣體積流量時(shí)，需將其視為在該工況下保證燃料管道供氣壓差不變，將摻氫天然氣替代為甲烷時(shí)所需的空氣體積流量。這種控制邏輯與場(chǎng)景#1類似，因此兩種場(chǎng)景下當(dāng)量比的變化趨勢(shì)相同。而兩種場(chǎng)景的不同點(diǎn)在于，場(chǎng)景#2中燃料和空氣的體積流量相較于場(chǎng)景#1中增長幅度更大，這樣才能維持鍋爐燃燒熱負(fù)荷不變。

2.2 燃?xì)庠罹?/h3>

家用燃?xì)庠罹咭话銥榇髿馐饺紵鳎浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。首先，燃料通過高速射流引射環(huán)境空氣，并在預(yù)混管中混合，形成預(yù)混氣體。這部分被燃料引射的空氣被稱為一次空氣，燃料與一次空氣混合后形成的預(yù)混氣體一般為富燃狀態(tài)，即Φ> 1。富燃的混合物在灶頭燃燒形成預(yù)混的一次火焰。一次火焰后未燃盡的燃料與周圍環(huán)境中的空氣形成擴(kuò)散燃燒的火焰。參與擴(kuò)散燃燒的空氣被稱為二次空氣。

圖4 燃?xì)庠罹呷紵鹘Y(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Structure diagram of gas stove burner

在常見的家用燃?xì)庠罹咧校话闱闆r下燃料管道的供氣壓差保持不變。當(dāng)燃料由天然氣變成摻氫天然氣時(shí)，由于密度的變化，燃料的體積流量發(fā)生變化，由燃料射流所引射的一次空氣量也將隨之變化，使得預(yù)混氣體的當(dāng)量比發(fā)生改變。這種場(chǎng)景在本文中被記為場(chǎng)景#3，其基本的計(jì)算過程描述如下。

場(chǎng)景#3

燃?xì)饬髁孔兓挠?jì)算方法與上述鍋爐場(chǎng)景#1類似，式（2）～式（5）可遷移應(yīng)用。但灶具中引射的一次空氣流量需根據(jù)式（13）[29]計(jì)算得到。

式中，Rc表示引射一次空氣量與燃料量的體積比；Cl表示損失系數(shù)，本文中取0.2；At和Aj分別表示預(yù)混管的截面積和燃料射流出口的截面積，m2。

與鍋爐類似，此處也將以甲烷為燃料時(shí)的運(yùn)行參數(shù)作為基準(zhǔn)，將摻氫后灶具的進(jìn)口燃料體積流量、空氣體積流量、預(yù)混氣體總流量和當(dāng)量比進(jìn)行歸一化處理，這些歸一化參數(shù)隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的變化情況如圖5所示。

圖5 場(chǎng)景#3中氫氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)灶具操作參數(shù)的影響Fig. 5 Variation of operating parameters in domestic appliances as a function of hydrogen volumetric fraction in Scenario #3

以燃?xì)庠罹叩湫凸r（預(yù)混氣體當(dāng)量比Φ=1.33）為例，當(dāng)XH2從0變化到0.4時(shí)，管道供氣壓差不變，燃料進(jìn)口體積流量由于密度減小而增加，其引射的空氣體積流量幾乎保持不變。此外，由于氫氣在化學(xué)計(jì)量比下燃燒所需的空氣量小于甲烷燃燒所需的空氣量，所以預(yù)混燃料的當(dāng)量比下降。馬向陽等[24]通過實(shí)驗(yàn)手段研究了天然氣摻氫比在0 ～ 0.2范圍內(nèi)對(duì)家用燃?xì)庠钊紵匦缘挠绊?，研究結(jié)果表明在額定管道供氣壓差下，隨著摻氫比的增加，燃燒器的一次空氣系數(shù)逐漸增大，與本文結(jié)果一致。在不改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)的情況下，灶具未燃側(cè)氣體的流速與進(jìn)口總流量成正比，當(dāng)XH2從0增加到0.4時(shí)，未燃側(cè)氣體的出口流速增加了2.2%。

3 摻氫天然氣燃燒設(shè)備回火風(fēng)險(xiǎn)的表征方法及驗(yàn)證

3.1 預(yù)混燃燒燃?xì)忮仩t和灶具回火風(fēng)險(xiǎn)的表征方法

實(shí)際生產(chǎn)中，需要快速評(píng)估燃料成分變化時(shí)設(shè)備回火風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合本文第1、2節(jié)的結(jié)果，本節(jié)將給出摻氫天然氣燃燒設(shè)備回火風(fēng)險(xiǎn)的表征方法。

對(duì)于燃?xì)忮仩t和燃?xì)庠罹邅碚f，燃料中XH2從0增加到0.4時(shí)，預(yù)混燃料的當(dāng)量比都逐漸降低，但是貧燃狀態(tài)和富燃狀態(tài)下對(duì)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憛s有很大差別。考慮到實(shí)際應(yīng)用中的工況選擇，燃?xì)忮仩t選取初始當(dāng)量比Φini分別為0.9，0.8，0.7三個(gè)不同工況，燃?xì)庠罹哌x取初始當(dāng)量比Φini分別為1.33，1.43，1.54三個(gè)不同工況。燃料的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著摻氫比的變化如圖6(a)，(b)和(c)所示。需要注意的是，圖6中同時(shí)考慮了摻氫比變化時(shí)燃燒當(dāng)量比也隨之變化的情形，即使用圖3和圖5中摻氫比和當(dāng)量比的對(duì)應(yīng)規(guī)律。

對(duì)于燃?xì)忮仩t典型工況，根據(jù)前文研究可知，在保證管道供氣壓差不變（場(chǎng)景#1）和鍋爐燃燒熱負(fù)荷不變（場(chǎng)景#2）的情況下，當(dāng)量比Φ隨XH2的變化一致，因此在圖6中，場(chǎng)景#1和場(chǎng)景#2統(tǒng)稱為鍋爐場(chǎng)景，不做區(qū)分。在初始當(dāng)量比為0.9時(shí)（圖6(a)），當(dāng)使用純CH4時(shí)，預(yù)混氣體的SL值如圖中點(diǎn)A所示；當(dāng)XH2增加到0.4時(shí)，由圖3可知，其對(duì)應(yīng)當(dāng)量比Φ降低至純CH4時(shí)的0.87倍，對(duì)應(yīng)的SL變化到圖中點(diǎn)B處。由此可知，對(duì)該工況而言，當(dāng)XH2從0增加到0.4時(shí)，對(duì)應(yīng)的SL增加5.8%；而在Φini分別為0.8和0.7時(shí)，用類似的方法，得出SL反而出現(xiàn)了隨XH2的增加而下降的趨勢(shì)（分別下降了4.6%和14.6%）。由此可以看出，對(duì)于鍋爐而言，摻氫后預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L變化規(guī)律較為復(fù)雜，需要針對(duì)具體情況進(jìn)行分析。

對(duì)于燃?xì)庠罹邅碚f，與鍋爐場(chǎng)景類似，也同時(shí)考慮了摻氫比變化時(shí)燃燒當(dāng)量比也隨之變化的情形。在初始當(dāng)量比分別為1.33，1.43和1.54時(shí)，XH2從0增加到0.4，SL分別增加124.8%，211.1%和272.1%，如圖6所示。相比之下，未燃側(cè)氣體的出口流速增長幅度較小（圖5）。因此可以預(yù)期，灶具在燃料摻氫后，由于摻氫比變化和當(dāng)量比變化的共同作用，在高摻氫比下的回火風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。

圖6 不同典型工況下氫氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)鍋爐（ Φ ini = 0.9、0.8、0.7）和灶具（ Φ ini = 1.33、1.43、1.54）層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慒ig. 6 Variation of laminar flame speed as a function of hydrogen volumetric fraction under different typical cases in boilers ( Φ ini = 0.9/0.8/0.7) and domestic appliances ( Φ ini =1.33/1.43/1.54)

設(shè)備的回火與燃燒器出口氣流速度和當(dāng)?shù)鼗鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣葍蓚€(gè)因素密切相關(guān)，已有文獻(xiàn)[22,30]通過定義K=vtotal/SL作為設(shè)備燃燒穩(wěn)定性的判據(jù)。設(shè)備出口預(yù)混氣體氣流速度小于火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r(shí)，發(fā)生回火；而當(dāng)氣流速度過大，火焰無法穩(wěn)定在噴嘴出口時(shí)，可能發(fā)生吹熄。但設(shè)備中燃燒器的結(jié)構(gòu)和形式對(duì)K的具體數(shù)值影響較大，對(duì)于不同設(shè)備來說，其發(fā)生回火和吹熄對(duì)應(yīng)的K值可能存在較大差別[22,30]。為了對(duì)比不同設(shè)備發(fā)生回火和吹熄的趨勢(shì)，本文采用預(yù)混氣體未燃側(cè)流速vtotal和層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L兩個(gè)參數(shù)做歸一化處理，定義參數(shù)β來表征設(shè)備發(fā)生回火和吹熄的風(fēng)險(xiǎn)，即

式中，vt0otal表示燃料中XH2= 0時(shí)（即甲烷）的未燃側(cè)流速，m/s；SL0表示燃料中XH2= 0時(shí)的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，cm/s。

使用β值可以判斷燃料變化后發(fā)生回火和吹熄的風(fēng)險(xiǎn)。β = 1時(shí)，即為使用天然氣時(shí)的設(shè)計(jì)工況；β < 1代表了燃燒器噴嘴出口氣流速度的增大的幅度小于火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃蟮姆?，這表明發(fā)生回火的風(fēng)險(xiǎn)增加，β值越小，發(fā)生回火的可能性越高；反之，β > 1代表了燃燒器噴嘴出口氣流速度的增大的幅度大于火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃蟮姆?，這表明發(fā)生吹熄的風(fēng)險(xiǎn)增加，β值越大，發(fā)生吹熄的可能性越大。

需要注意的是，實(shí)際燃燒設(shè)備中，燃燒器噴嘴出口速度并非均勻分布，燃燒也并非總是處在層流狀態(tài)，因此vtotal和SL并非與實(shí)際燃燒過程中出口氣流速度和當(dāng)?shù)鼗鹧嫠俣认嗟?。但是，?duì)于同一個(gè)設(shè)備而言，其燃燒器噴嘴出口的流動(dòng)具有一定相似性，而vtotal和SL僅與燃料特性相關(guān)，因此β值的變化可以在工程上“半定量”地刻畫因燃料變化而引發(fā)的回火和吹熄發(fā)生的趨勢(shì)。

針對(duì)上述燃?xì)忮仩t和燃?xì)庠罹叩牡湫凸r，當(dāng)摻氫天然氣中XH2從0增加到0.4時(shí)，β的變化如圖7所示。

圖7 不同燃燒設(shè)備中未燃側(cè)流速與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葰w一化參數(shù)之比β隨氫氣體積分?jǐn)?shù)的變化Fig. 7 Variation of ratio between normalized flow rate and flame speed β as a function of hydrogen volumetric fraction in different combustion devices

對(duì)于燃?xì)忮仩t來說，在保證管道供氣壓差不變（場(chǎng)景#1）時(shí)，β在0.95 ～ 1.2范圍內(nèi)變化；在保證鍋爐負(fù)荷不變（場(chǎng)景#2）時(shí)，β在1 ～ 1.4范圍內(nèi)變化，這表明對(duì)于一般鍋爐工況而言，燃料摻氫比在0 ～ 0.4以內(nèi)時(shí)，發(fā)生回火的風(fēng)險(xiǎn)較低，但要注意的是，對(duì)于場(chǎng)景#2，小當(dāng)量比（Φ=0.7）時(shí)存在一定的吹熄風(fēng)險(xiǎn)（β值高達(dá)1.4）。

而對(duì)于燃?xì)庠罹邅碚f，在燃?xì)夤艿拦鈮翰畈蛔儯▓?chǎng)景#3）時(shí)，β的變化范圍是0.2～1，并且呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢(shì)。這說明燃?xì)庠罹叩娜剂蠐綒浜笪慈紓?cè)氣體流速增幅小于火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龇ｋS著XH2的增加，灶具發(fā)生回火的可能性增加，在高摻氫比工況下存在極大回火風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 預(yù)混燃燒燃?xì)忮仩t和灶具回火風(fēng)險(xiǎn)的表征方法驗(yàn)證

基于本文提出的使用β值表征回火風(fēng)險(xiǎn)的方法，本節(jié)將文獻(xiàn)中已有的摻氫天然氣回火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

針對(duì)燃?xì)忮仩t運(yùn)行工況，圖8展示了其回火風(fēng)險(xiǎn)表征方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。García-Armingol等[13]通過單管射流實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究了摻氫天然氣在貧燃預(yù)混狀態(tài)下氫氣體積分?jǐn)?shù)在0～0.5范圍內(nèi)的回火特性，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該范圍內(nèi)無明顯回火現(xiàn)象，此時(shí)β > 0.6。de Vries等[21]通過本生燈實(shí)驗(yàn)獲得摻氫天然氣在貧燃預(yù)混狀態(tài)下氫氣體積分?jǐn)?shù)在0～0.3范圍內(nèi)的回火特性，實(shí)驗(yàn)表明在該摻氫比范圍內(nèi)無明顯回火現(xiàn)象，此時(shí)β > 0.8。Colorado等[22]通過陶瓷纖維表面燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)得到摻氫天然氣在恒定燃燒熱功率下受氫氣體積分?jǐn)?shù)和當(dāng)量比影響的回火特性，與本文中鍋爐場(chǎng)景#2對(duì)應(yīng)。從圖8中可以看出，β值隨摻氫比增加先增大后減小。隨著β值的增加，火焰有逐漸抬升的趨勢(shì)，吹熄風(fēng)險(xiǎn)增加；而β值減小，火焰逐漸貼附于陶瓷纖維表面燃燒，回火風(fēng)險(xiǎn)增加。實(shí)驗(yàn)表明，在純氫工況下當(dāng)量比為0.57時(shí)發(fā)生回火現(xiàn)象，此時(shí)對(duì)應(yīng)的β值為0.58。而在本文重點(diǎn)關(guān)注的氫氣體積分?jǐn)?shù)為0～0.4范圍內(nèi)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的β值可判斷燃?xì)忮仩t無明顯回火風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 燃?xì)忮仩t回火風(fēng)險(xiǎn)表征方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fig. 8 Experimental verification of the flashback risk for gas-fired boilers

針對(duì)燃?xì)庠罹哌\(yùn)行工況，圖9展示了其回火風(fēng)險(xiǎn)表征方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Zhao等[15]通過在灶頭燃燒器上進(jìn)行摻氫天然氣的回火實(shí)驗(yàn)，在摻氫比為0.2時(shí)發(fā)生回火，此時(shí)對(duì)應(yīng)的β值約為0.57。此外，根據(jù)Jones等[18]在灶具上的回火實(shí)驗(yàn)也可驗(yàn)證，在摻氫比大于0.3時(shí)發(fā)生回火，此時(shí)對(duì)應(yīng)的β值約為0.54。以上實(shí)驗(yàn)均與本文灶具場(chǎng)景#3對(duì)應(yīng)。在本文重點(diǎn)關(guān)注的氫氣體積分?jǐn)?shù)為0～0.4范圍內(nèi)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的β值可判斷，若β <0.6時(shí)，燃?xì)庠罹叩幕鼗痫L(fēng)險(xiǎn)將顯著增加。

圖9 燃?xì)庠罹呋鼗痫L(fēng)險(xiǎn)表征方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fig. 9 Experimental verification of the flashback risk for gas-fired domestic appliances

通過對(duì)燃?xì)忮仩t和燃?xì)庠罹呋鼗痫L(fēng)險(xiǎn)表征方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)β值的分析，可以解釋不同燃燒設(shè)備發(fā)生回火的摻氫比各不相同的原因。但需要注意的是，對(duì)于不同的燃燒設(shè)備，由于各自的設(shè)計(jì)運(yùn)行工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)各不相同，發(fā)生回火時(shí)對(duì)應(yīng)的β值也在一定范圍內(nèi)變化。

此外，引言中提到，Zhao等[14]發(fā)現(xiàn)在已經(jīng)穩(wěn)定燃燒的灶具中逐漸增加氫氣，不發(fā)生回火的最大摻氫比可達(dá)0.5以上，但是如果在點(diǎn)火前燃料中已經(jīng)摻混氫氣，則在點(diǎn)火的“瞬態(tài)”過程中不發(fā)生回火的最大摻氫比降為0.25。此時(shí)也可以從β值的角度來分析這種“穩(wěn)態(tài)”和“瞬態(tài)”回火摻氫比差異的原因。

灶具點(diǎn)火過程描述如下：初始時(shí)灶具燃燒器預(yù)混管內(nèi)充滿空氣，如圖10左上方小圖所示；燃料從射流入口進(jìn)入后，一方面引射空氣，另一方面將預(yù)混管內(nèi)的空氣通過灶頭排出燃燒器；同時(shí)，安裝在灶頭的火花塞嘗試點(diǎn)火。在這段極短時(shí)間內(nèi)，灶頭出口處的預(yù)混氣體當(dāng)量比逐漸增加，從0到貧燃，越過化學(xué)計(jì)量比，達(dá)到最終的富燃狀態(tài)。

圖10 燃?xì)庠罹咴邳c(diǎn)火狀態(tài)和穩(wěn)定燃燒狀態(tài)下氫氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慒ig. 10 Variation of laminar flame speed as a function of hydrogen volumetric fraction in the ignition state and steady combustion state of domestic appliances

此處以燃?xì)庠罹叩湫凸r（預(yù)混氣體當(dāng)量比Φ= 1.6）為例，其在點(diǎn)火狀態(tài)和穩(wěn)定燃燒狀態(tài)下XH2對(duì)SL的影響如圖10所示。以甲烷作為基準(zhǔn)工況，首先考慮天然氣在灶具中穩(wěn)定燃燒時(shí)逐漸增加燃料中XH2的情形。穩(wěn)定燃燒時(shí)灶頭出口預(yù)混氣體處于富燃狀態(tài)，當(dāng)燃料中XH2從0增加到0.5時(shí)，SL增加約433.6%（圖中綠色箭頭所示），vtotal增加3.4%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的β值約為0.2，若此摻氫比為穩(wěn)定燃燒狀態(tài)下不發(fā)生回火的最大摻氫比，則可認(rèn)為，該灶具系統(tǒng)設(shè)計(jì)回火安全閾值為β = 0.2。在圖10中作出等β曲線，如曲線C-D所示，此即為回火臨界線，C-D曲線之上，將發(fā)生回火，反之，曲線之下不回火。

接下來討論點(diǎn)火前天然氣已經(jīng)摻氫時(shí)，灶具點(diǎn)火過程是否會(huì)發(fā)生回火的情形。由于點(diǎn)火過程燃料成分已經(jīng)確定，則點(diǎn)火過程中，灶頭出口預(yù)混氣體的SL將隨Φ的增加沿著圖10中等XH2曲線變化（圖中紅色箭頭所示）。在等XH2曲線上，Φ= 1.0～1.2時(shí)SL達(dá)到峰值，β值也達(dá)到最小值，此時(shí)發(fā)生回火的可能性最高。將不同的等XH2曲線與回火臨界線C-D做對(duì)比，若等XH2曲線完全處于曲線C-D之下，則表明點(diǎn)火過程所有時(shí)刻都不存在回火風(fēng)險(xiǎn)；若等XH2曲線與曲線CD存在交點(diǎn)（等XH2曲線部分位于曲線C-D之上），即表明該XH2值在點(diǎn)火過程中存在回火風(fēng)險(xiǎn)。從圖10中可以看出，等XH2曲線與曲線C-D存在交點(diǎn)的最小XH2值約為XH2= 0.25（相交于D點(diǎn)），這說明點(diǎn)火的瞬態(tài)情形不發(fā)生回火的最大XH2為0.25。

通過上述分析討論可知，使用β = 0.2的閾值，對(duì)于灶具的“穩(wěn)態(tài)”情形（天然氣穩(wěn)定燃燒后逐漸增加摻氫比）和點(diǎn)火“瞬態(tài)”情形（點(diǎn)火前天然氣已經(jīng)摻氫）而言，其對(duì)應(yīng)的不發(fā)生回火的最大XH2分別為0.5和0.25，這與文獻(xiàn)[14]中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象基本一致。因此，使用β值的分析方法能夠定性地解釋燃?xì)庠罹叩摹八矐B(tài)”和“穩(wěn)態(tài)”回火摻氫比的差異現(xiàn)象。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，天然氣摻氫后發(fā)生回火的工況都出現(xiàn)了β的顯著下降，這與理論分析的結(jié)果保持一致，證明了利用β判斷燃燒設(shè)備回火風(fēng)險(xiǎn)的合理性。綜合考慮發(fā)生回火時(shí)具體β值，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)β < 0.6時(shí)，燃燒設(shè)備發(fā)生回火的可能性顯著增加，這對(duì)于判斷天然氣摻氫后燃燒設(shè)備的回火風(fēng)險(xiǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

本文獲得了預(yù)混燃燒燃?xì)忮仩t和燃?xì)庠罹叩膶?shí)際入口運(yùn)行參數(shù)及火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?guī)律，并定義了參數(shù)β用來表征天然氣摻氫后燃燒設(shè)備回火特性。本文得到的主要結(jié)論如下。

（1）在天然氣燃燒設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中，燃料摻氫比變化會(huì)影響燃料密度、熱值等參數(shù)，進(jìn)而影響燃燒設(shè)備中燃料、空氣入口條件及燃燒當(dāng)量比。當(dāng)摻氫比從0增加到0.4時(shí)，對(duì)于燃?xì)忮仩t（場(chǎng)景#1和場(chǎng)景#2）來說，預(yù)混氣體的燃燒當(dāng)量比隨摻氫比的增加而下降，進(jìn)而使摻氫后火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?guī)律較為復(fù)雜，需要根據(jù)初始未摻氫時(shí)的當(dāng)量比具體討論；對(duì)于燃?xì)庠罹撸▓?chǎng)景#3）來說，預(yù)混氣體的燃燒當(dāng)量比隨摻氫比增加而下降，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S摻氫比和當(dāng)量比變化均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且初始未摻氫時(shí)的當(dāng)量比Φ越高，相同摻氫比下火焰?zhèn)鞑ニ俣认啾扔诩兗淄闀r(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龇酱蟆?/p>

（2）β定義為預(yù)混氣體未燃側(cè)流速歸一化參數(shù)與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葰w一化參數(shù)的比值，用來評(píng)估天然氣摻氫后設(shè)備發(fā)生回火的可能性。對(duì)于燃?xì)忮仩t，當(dāng)摻氫比在0～0.4范圍內(nèi)變化時(shí)，β的變化范圍是0.95～1.4，表明鍋爐無明顯回火風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于燃?xì)庠罹撸?dāng)摻氫比在0～0.4范圍內(nèi)變化時(shí)，β的變化范圍是0.2～1，并且單調(diào)下降，在β < 0.6的工況下回火風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。

（3）對(duì)于燃?xì)庠罹咴凇胺€(wěn)態(tài)”情形（天然氣穩(wěn)定燃燒后逐漸增加摻氫比）和點(diǎn)火“瞬態(tài)”情形（點(diǎn)火前天然氣已經(jīng)摻氫）而言，摻氫比和當(dāng)量比對(duì)這兩種情形下火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懶Ч煌?，在等β值下?duì)應(yīng)不發(fā)生回火的最大摻氫比分別為0.5和0.25，可解釋兩種情形下回火摻氫比差異的現(xiàn)象。