孟德奇

研究數(shù)據(jù)表明，溫室效應(yīng)會造成全球氣候變暖、海平面上升、極端天氣頻發(fā)等，嚴重威脅到了人類的生產(chǎn)與生活。作為溫室效應(yīng)的元兇，二氧化碳卻與我們?nèi)祟惖纳罴肮I(yè)活動密切相關(guān)。因此一段時間以來，為追求經(jīng)濟上的繁榮，人們并未足夠重視二氧化碳的排放問題，導(dǎo)致近些年的自然災(zāi)害更加頻繁。近年，碳排放問題已得到世界主要國家的重視，我國領(lǐng)導(dǎo)人也在各個場合向世界作出承諾：2030年實現(xiàn)碳達峰，2060年實現(xiàn)碳中和。

為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，需逐年提高可再生能源發(fā)電在我國能源結(jié)構(gòu)中的比重，并同步減少化石能源的消耗?，F(xiàn)階段，可再生能源發(fā)電依然存在波動性大、棄電嚴重等問題，而電解水制氫是最有效的電能存儲方案之一。且由于氫氣本身不含碳，因此作為能源載體具有其獨到的優(yōu)勢，故而備受關(guān)注。無論是氫燃料電池還是天然氣摻氫，都進行了大量的理論及實驗研究，并有了小范圍的工程示范基礎(chǔ)。在民用燃氣方面，當(dāng)高摻氫比或者純氫還達不到條件時，目前的共識是僅在天然氣中摻入不超過20%的氫氣，作為未來過渡時期的氣源供民眾使用。

本文首先從理論上分析了在現(xiàn)行燃氣具領(lǐng)域使用富氫燃氣的可行性，接著以上最常見的16L強抽燃氣熱水器為例，對富氫天然氣（甲烷）的燃燒進行了系統(tǒng)的實驗研究。

燃燒速度指數(shù)上升明顯：天然氣摻氫可行性的理論依據(jù)及分析

甲烷及氫氣的物理性質(zhì)見表1。

由表可知，氫氣的質(zhì)量熱值雖高，由于密度低，其體積熱值僅為甲烷的1/3。與甲烷相比，氫氣更易燃燒，且燃燒（爆炸）范圍極廣。無論是熱擴散系數(shù)還是質(zhì)量擴散系數(shù)，氫氣都遠超甲烷，可以認為氫氣燃燒更容易發(fā)生回火。

CH/H混合氣的華白數(shù)及燃燒速度指數(shù)隨摻氫比例的變化見圖1。

一般燃氣具的負荷與華白數(shù)成正比，因此燃氣具的負荷隨著摻氫比例的增大而降低，且下降較為明顯。燃燒速度指數(shù)是燃氣燃燒速度的表征，可以看出，燃氣摻氫后，燃燒速度指數(shù)上升明顯，回火風(fēng)險增大。

表1：CH4/H2的基本物理性質(zhì)

圖1：CH4/H2混合氣的華白數(shù)及燃燒速度指數(shù)

借用Chemkin軟件可以直接計算CH/H混合氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣燃敖^熱燃燒溫度，計算結(jié)果見圖2。

可以直接使用GRI.3.0反應(yīng)機理計算純甲烷燃燒和混合氣燃燒，但根據(jù)相關(guān)文獻描述，該反應(yīng)機理用于混合氣燃燒誤差偏大，因此本文里使用Andrew E.Lutz提供的反應(yīng)機理來計算混合氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约敖^熱燃燒溫度，使用系統(tǒng)自帶的H-Air燃燒機理來計算純氫的燃燒。

圖中可很直接看到，CH的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?0cm/s（化學(xué)當(dāng)量比為1時），而H的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣雀哌_2.5m/s以上。摻氫后火焰?zhèn)鞑ニ俣忍嵘?，且隨著摻氫比例增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸手笖?shù)倍增長。摻氫后的絕熱燃燒溫度增高，在高化學(xué)當(dāng)量比（低過量空氣系數(shù)）下，溫度升高尤其明顯。

一般的燃氣熱水器采用部分預(yù)混結(jié)構(gòu)，一次空氣系數(shù)一般在0.4～0.8（化學(xué)當(dāng)量比1.2～2.5）之間，正好處于圖中高化學(xué)當(dāng)量比區(qū)域，摻氫后燃氣的初始燃燒區(qū)域溫度升高會比較明顯。因此，對燃燒器的頭部設(shè)計應(yīng)該格外注意，一旦發(fā)生回火，燃燒器的可靠性必然下降。

圖2：CH4/H2混合氣層流火焰?zhèn)鞑ニ俣燃敖^熱燃燒溫度

圖3：以甲烷為基準(zhǔn)氣，不同摻氫比例下的離焰、回火及黃焰互換指數(shù)

圖3展示了各類互換指數(shù)隨摻氫比例的變化規(guī)律。根據(jù)建議，置換氣的離焰互換指數(shù)應(yīng)低于1，黃焰互換指數(shù)應(yīng)當(dāng)高于1。因此，對于摻氫燃氣，其離焰及黃焰問題與甲烷相比反而能得到極大改善，不需特別留意。而為了保證不回火，置換氣的回火互換指數(shù)應(yīng)低于1.18，即摻氫比例理應(yīng)控制在25%以內(nèi)。

根據(jù)以上的理論分析，雖然摻氫后燃氣的燃燒速度變快，回火傾向增大，但摻氫后的黃焰及離焰狀況得到根本性改善?，F(xiàn)階段世界各國的共識是，在未來很長一段過渡期內(nèi)，天然氣摻氫比例不會超過20%，根據(jù)這一比例，現(xiàn)有燃氣具不存在回火風(fēng)險。

天然氣摻氫【燃燒性能】的實驗研究

在正式實驗前，本文對不同壓力以及靜置半個月以上的摻氫混合氣進行取樣并進行氣象色譜分析。

分析結(jié)果表明，混合氣的氫含量始終保持不變。相關(guān)文獻也表明H2與CH4混合并不會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，這主要源于H2較高的質(zhì)量擴散速率。因此，在有限的時間范圍內(nèi)進行實驗所獲得的實驗結(jié)果應(yīng)當(dāng)是可信的。

在一臺實驗樣機上布置了多個溫度測點，用以測量不同摻氫比例下的燃燒室溫度分布，溫度測點示意圖及溫度分布數(shù)據(jù)見圖4。溫度測點布置在同一豎直面上靠近火排中心的位置，共8個測點，分別距火排出口10mm、27mm、62mm、77mm、92mm、112mm、127mm及160mm。

圖中所示溫度均為垂直圖4所示面上燃燒室內(nèi)的最高溫度，通過多次測量獲得。

實驗結(jié)果表明，摻氫后，高溫區(qū)域明顯前移，且火排出口附近溫度上升，這是由氫氣燃燒速度更快且燃燒溫度更高造成。因此，對于高摻氫比（或純氫）燃氣熱水器，可以考慮縮短燃燒室的高度，從而減小熱水器的整體體積。

不同摻氫比例下最大熱負荷燃氣流量及最大（最?。嶝摵傻淖兓€見圖5及圖6。

圖4：溫度測點示意及燃燒室縱向溫度分布

燃氣流量與相對密度的平方根成反比，氫氣的相對密度低，摻氫后其流量必然會增大。最大熱負荷與華白數(shù)成正比，其變化曲線與前文理論計算相吻合。

圖5：最大熱負荷時的燃氣流量及負荷隨摻氫比例的變化

測量不同摻氫比例下的極限最小負荷及相應(yīng)二次壓，其結(jié)果見圖6。

其中，極限負荷定義為在剛好不熄火時的熱負荷。由于該熱水器為三段式燃燒，故對每一段分別進行了測量。測試過程中發(fā)現(xiàn)，在20%以內(nèi)摻氫比例下，從最大負荷降到極限負荷都未發(fā)現(xiàn)回火現(xiàn)象，熄火總是先于回火發(fā)生。

由圖可知，使用的火排數(shù)越多，單個火排承受的極限負荷越低，即七個火排全開時每個火排的極限負荷最小。測試過程中發(fā)現(xiàn)，極限二次壓基本上與摻氫比例無關(guān)，只與啟用的火排數(shù)有關(guān)。摻氫比例增大時，極限情況下燃氣體積流量雖然略有增加，但仍無法彌補由于體積熱值降低而導(dǎo)致的負荷下降。熱水器實際運行時啟用七個火排、四個火排及兩個火排時的二次壓分別為75 Pa、190 Pa及210 Pa，遠高于不同摻氫比例下的極限二次壓，因此在20%以內(nèi)摻氫條件下，該燃氣熱水器滿足在固定調(diào)節(jié)范圍內(nèi)穩(wěn)定燃燒的要求且不會發(fā)生回火。

圖6：不同摻氫比例時的極限熱負荷及相應(yīng)的二次壓

不同摻氫比例下額定熱負荷的熱效率變化曲線見圖7。

圖7：不同摻氫比例下的熱效率（最大熱負荷）變化曲線

由圖可知，隨著摻氫比例的提高，熱效率略有提升，但幅度不大。這是因為，風(fēng)機的風(fēng)量基本變化不大，整體的排煙量及排煙溫度均變化不明顯，排煙熱損失依然高居不下?？v使摻氫后能提高燃燒溫度，增強換熱效率，但依然無法有效解決排煙熱損失。

圖8展示了不同摻氫比例下的火焰燃燒圖片，由左至右依次為2kPa最大負荷、2kPa最小負荷及1kPa最小負荷，由上至下?lián)綒浔壤来螢?%，20%及35%。

由圖可知，在最大負荷下，即使摻氫比例達到35%，火焰依然明顯，并不會發(fā)生回火現(xiàn)象，且隨著摻氫比例的增大，黃焰越來越少，燃燒室內(nèi)越來越清晰。而在最小負荷正常壓力（2kPa）下，摻氫比例的提高會明顯縮短火焰長度，尤其是在火排出口的右端，火焰更易貼近火排端面。在20%的摻氫比例下，火焰最短處依然明顯高出火排出口端面，回火風(fēng)險??；而在35%的摻氫比例下，火焰最短處已貼近火排端面，可能造成該處壁面溫度過高而可靠性下降。

圖8：不同摻氫比例下的火焰燃燒圖片

天然氣摻氫【排放性能】的實驗研究

圖9展示了煙管出口處的O濃度及折算CO濃度隨摻氫比例的變化曲線。由圖可知，隨著摻氫比例的增大，出口處的氧濃度提高，這是由總的風(fēng)量不變但H2的需氧量下降造成的。而隨著摻氫比例的升高，CO濃度顯著下降，摻氫比例達到20%時，CO濃度下降約60%。

圖9：煙管出口處的O2濃度及折算CO濃度

針對不同摻氫比例的二氧化碳降低量進行了計算，其結(jié)果見圖10。該二氧化碳降低比例是基于相同負荷下（30 kW），與純甲烷燃燒的二氧化碳排放量相比而得。隨著摻氫比例提高，二氧化碳下降速度越來越快；在摻氫20%時，二氧化碳下降約7%。因此，天然氣摻氫是可有效降低碳排放，實現(xiàn)國家碳減排目標(biāo)，且摻氫比例越高，其碳減排效果越顯著。

理論證實管道天然氣摻20%以內(nèi)時現(xiàn)有燃氣具使用的可行性之后，以16 L強抽燃氣熱水器為例，實驗研究天然氣摻氫20%燃氣熱水器的各項性能指標(biāo)，得出以下結(jié)論：

摻氫后，火焰長度縮短，燃燒前置，主要燃燒區(qū)域縮小；

摻氫后，CO排放濃度大幅降低，二氧化碳同步下降；摻氫20%時，二氧化碳可降低7%；

圖10：不同摻氫比例下的二氧化碳降低百分比

理論計算及實驗結(jié)果均表明16L強抽燃氣熱水器完全適用20%甚至35%的摻氫天然氣而不用擔(dān)心回火風(fēng)險。