朱宏丹， 秦朝葵， 李 暉， 徐蔚春

(1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804；2.上海林內(nèi)有限公司，上海201411)

1 概述

可再生能源固有的間接性、波動性和不可預(yù)測性，以及電力需求放緩、裝機(jī)過剩等原因，造成了部分地區(qū)出現(xiàn)棄風(fēng)電、棄光電等現(xiàn)象[1]。氫被認(rèn)為是最清潔的能源之一，電轉(zhuǎn)氣(Power to Gas，P2G)的技術(shù)路線正在歐洲等地進(jìn)行積極探索：利用富余的可再生電力電解水制氫，然后將氫氣以一定比例摻入既有天然氣管網(wǎng)[2]或者將氫與二氧化碳制備甲烷。電轉(zhuǎn)氣既可有效消納可再生能源電力，克服電力無法大規(guī)模、長時間儲存的技術(shù)瓶頸，也能降低天然氣系統(tǒng)的碳排放。

摻氫后，天然氣組成發(fā)生變化，熱值、密度、燃燒特性均會隨之發(fā)生改變，從而導(dǎo)致燃?xì)庠畹娜紵r、熱負(fù)荷、熱效率以及煙氣中一氧化碳、氮氧化物含量等發(fā)生改變。本文采用實(shí)驗(yàn)方法，研究摻氫比(指體積比)對家用燃?xì)庠?采用大氣式燃燒器)的燃燒工況、熱負(fù)荷、熱效率與污染物排放量等的影響。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以12T天然氣為基準(zhǔn)氣，在家用燃?xì)庠畈贿M(jìn)行任何調(diào)整的前提下，研究燃用不同摻氫比的摻氫天然氣時的燃燒工況、熱負(fù)荷、熱效率與污染物排放量。天然氣組成見表1。

表1 天然氣組成

陳豪杰[3]以管道天然氣為基準(zhǔn)氣，測試研究摻氫比為1%、3%、5%時，家用燃具熱負(fù)荷與污染物(一氧化碳、氮氧化物)排放量的變化。馬向陽等人[1]、嚴(yán)榮松等人[4]以及羅子萱等人[5]基于12T天然氣實(shí)驗(yàn)研究了摻氫比分別為5%、10%、15%、20%的摻氫天然氣對家用燃具能效、安全性與污染物排放的影響。在這些研究中，在最大摻氫比20%條件下未出現(xiàn)明顯的燃燒工況惡化等問題，表現(xiàn)出良好的燃?xì)饣Q性與燃具適應(yīng)性。因此，筆者認(rèn)為摻氫比20%比較保守，本文將摻氫比上限調(diào)整至40%。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖1。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為配氣系統(tǒng)、家用燃?xì)庠钊紵匦詼y試系統(tǒng)。配氣系統(tǒng)主要用于配置摻氫天然氣。氫氣從鋼瓶流出后經(jīng)減壓閥降壓至0.15～0.20 MPa，經(jīng)水浴套管調(diào)整溫度后進(jìn)入配氣裝置與管道天然氣進(jìn)行混合，摻氫天然氣從配氣裝置流出后經(jīng)調(diào)壓器調(diào)壓至要求壓力。摻氫比由高精度實(shí)時配氣軟件通過調(diào)整閥門的相對開度進(jìn)行設(shè)置和調(diào)節(jié)。家用燃?xì)庠钊紵匦詼y試系統(tǒng)按照GB 16410—2020《家用燃?xì)庠罹摺吩O(shè)計(jì)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1.氫氣鋼瓶 2.減壓閥 3.水浴套管 4.閥門 5.配氣裝置 6.調(diào)壓器 7.濕式流量計(jì) 8.家用燃?xì)庠?9.實(shí)驗(yàn)鍋 10.精密溫度計(jì) 11.攪拌器 12.煙氣分析儀 13.熱電偶 14.溫度記錄儀 15.聲級計(jì) 16.煙氣取樣器 17.大氣壓力計(jì) 18.壓力表

主要測量裝置的性能參數(shù)見表2。熱電偶埋入火蓋中心。濕式流量計(jì)具有溫度、壓力數(shù)字顯示功能。氮氧化物體積分?jǐn)?shù)以一氧化氮體積分?jǐn)?shù)表征。

表2 主要測量裝置的性能參數(shù)

續(xù)表2

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

選用JZT-2QLGH型家用燃?xì)庠钭鳛闇y試對象，額定灶前壓力為2 000 Pa，左燃燒器額定熱負(fù)荷為3.2 kW，右燃燒器額定熱負(fù)荷為4.2 kW，實(shí)驗(yàn)選用右燃燒器。灶前壓力控制為2 000 Pa，摻氫比分別設(shè)定為0%、10%、20%、30%、40%。根據(jù)GB 16410—2020《家用燃?xì)庠罹摺返囊?guī)定進(jìn)行家用燃?xì)庠钊紵r、熱負(fù)荷、熱效率及污染物(一氧化碳、氮氧化物)體積分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)。

家用燃?xì)庠畈捎么髿馐饺紵髑矣蟹€(wěn)焰結(jié)構(gòu)，然而，氫氣燃燒速度遠(yuǎn)高于甲烷，隨著摻氫比的增大，出現(xiàn)回火的趨勢逐漸增加。因此，通過火焰形態(tài)以及出現(xiàn)熄火爆鳴的次數(shù)、最大聲壓級判斷燃燒工況。每種摻氫比均進(jìn)行20次熄火爆鳴實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)熄火爆鳴出現(xiàn)的次數(shù)與最大聲壓級。

通過拍攝火焰照片對比觀察火焰形態(tài)、火焰高度及燃燒穩(wěn)定性，采用聲級計(jì)測試熄火爆鳴出現(xiàn)次數(shù)與最大聲壓級。

4 結(jié)果與討論

4.1 燃燒工況

各種摻氫比下火焰形態(tài)見圖2。隨著摻氫比增大，火焰內(nèi)錐逐漸變短，火焰逐漸變硬，未出現(xiàn)脫火、離焰、黃焰等不正常燃燒現(xiàn)象。不同摻氫比下家用燃?xì)庠钕ɑ鸨Q出現(xiàn)次數(shù)與熄火爆鳴最大聲壓級見表3。由表3可知，當(dāng)摻氫比為0%、10%時，未檢出熄火爆鳴。當(dāng)摻氫比達(dá)到20%后，家用燃?xì)庠畛霈F(xiàn)輕微的熄火爆鳴現(xiàn)象。隨著摻氫比繼續(xù)增大，熄火爆鳴出現(xiàn)的次數(shù)與最大聲壓級也逐漸增大，但仍滿足GB 16410—2020《家用燃?xì)庠罹摺繁?的熄火噪聲等效聲級小于等于85 dB的規(guī)定。

圖2 各種摻氫比下火焰形態(tài)

表3 不同摻氫比下家用燃?xì)庠钕ɑ鸨Q出現(xiàn)次數(shù)與熄火爆鳴最大聲壓級

整體而言，家用燃?xì)庠钊紵龘綒涮烊粴獾娜紵r良好，但摻氫比達(dá)到30%后，容易引起熄火爆鳴。在這種情況下，若火蓋位置異常很可能造成連續(xù)性回火，存在一定安全隱患。因此，出于安全考慮，家用燃?xì)庠畹膿綒浔纫说陀?0%。

4.2 熱負(fù)荷

按GB/T 12206—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)鉄嶂岛拖鄬γ芏葴y定方法》測得摻氫天然氣的低熱值、相對密度。按照GB 16410—2020《家用燃?xì)庠罹摺酚?jì)算不同摻氫比下家用燃?xì)庠畹膶?shí)測熱負(fù)荷，見表4。隨著摻氫比的增加，實(shí)測熱負(fù)荷逐漸降低。與摻氫前相比，摻氫比為20%、30%時，熱負(fù)荷分別下降10.4%、11.4%。

表4 不同摻氫比下家用燃?xì)庠畹膶?shí)測熱負(fù)荷

4.3 熱效率

不同摻氫比下家用燃?xì)庠畹膶?shí)測熱效率、火蓋溫度、鍋水等高處煙氣溫度見表5。由表5可知，家用燃?xì)庠畹膶?shí)測熱效率隨摻氫比增大而降低。雖然摻氫比的增大增強(qiáng)了化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度，且摻氫天然氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤龠M(jìn)了高溫?zé)煔馀c鍋底的對流傳熱，但摻氫比的增大也使火焰變短(見圖3)，鍋底與火焰距離增大，傳熱損失加大，最終導(dǎo)致實(shí)測熱效率下降。當(dāng)摻氫比小于等于20%時，家用燃?xì)庠畹膶?shí)測熱效率雖然隨摻氫比的增大保持下降趨勢，但幅度很小。當(dāng)摻氫比大于20%后，家用燃?xì)庠畹膶?shí)測熱效率的下降速率顯著增大。由于氫氣燃燒溫度更高，火蓋溫度隨摻氫比增大而升高。火蓋溫度的升高使輻射散熱損失增加，這也是實(shí)測熱效率下降的原因。鍋水等高處煙氣溫度未隨摻氫比的變化出現(xiàn)明顯變化。

表5 不同摻氫比下家用燃?xì)庠畹膶?shí)測熱效率、火蓋溫度、鍋水等高處煙氣溫度

圖3 不同摻氫比下火焰高度

4.4 污染物排放

過?？諝庀禂?shù)為1時，家用燃?xì)庠顭煔庵幸谎趸肌⒌趸矬w積分?jǐn)?shù)隨摻氫比的變化見圖4。

圖4 過?？諝庀禂?shù)為1時家用燃?xì)庠顭煔庵幸谎趸?、氮氧化物體積分?jǐn)?shù)隨摻氫比的變化

由圖4可知，一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)隨摻氫比增大而減小，氮氧化物的體積分?jǐn)?shù)變化不明顯。由圖3可知，火焰隨著摻氫比的增大而變短，二次空氣供給更加充分，燃燒更加完全，煙氣中一氧化碳體積分?jǐn)?shù)顯著降低。雖然摻氫天然氣的火焰溫度高，容易形成熱力型一氧化氮，但由于氫的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺燃淄楦?，氮在高溫區(qū)滯留時間更短，抑制了熱力型一氧化氮的生成。兩項(xiàng)因素疊加，使得煙氣中氮氧化物的體積分?jǐn)?shù)隨摻氫比的變化并不明顯。

5 結(jié)論

① 隨著摻氫比增大，火焰內(nèi)錐逐漸變短，火焰逐漸變硬，未出現(xiàn)脫火、離焰、黃焰等不正常燃燒現(xiàn)象。當(dāng)摻氫比為0%、10%時，未檢出熄火爆鳴。當(dāng)摻氫比達(dá)到20%后，家用燃?xì)庠畛霈F(xiàn)輕微的熄火爆鳴。隨著摻氫比繼續(xù)增大，熄火爆鳴出現(xiàn)的次數(shù)與最大聲壓級也逐漸增大，但仍滿足GB 16410—2020《家用燃?xì)庠罹摺繁?的熄火噪聲等效聲級小于等于85 dB的規(guī)定。

② 隨著摻氫比增加，實(shí)測熱負(fù)荷逐漸降低。與摻氫前相比，摻氫比為20%、30%時，熱負(fù)荷分別下降10.4%、11.4%。

③ 家用燃?xì)庠顚?shí)測熱效率隨摻氫比增大而降低。當(dāng)摻氫比小于等于20%時，家用燃?xì)庠顚?shí)測熱效率雖然隨摻氫比的增大保持下降趨勢，但幅度很小。當(dāng)摻氫比大于20%后，家用燃?xì)庠顚?shí)測熱效率的下降速率顯著增大。

④ 煙氣中一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)隨摻氫比增大而減小，氮氧化物的體積分?jǐn)?shù)變化不明顯。

⑤ 家用燃?xì)庠钊加脫綒涮烊粴鈺r，摻氫比宜低于30%。