劉仁江 張灝 周華鑫 葉梓茂 唐人杰 潘瑤

（重慶市計量質(zhì)量檢測研究院，重慶 401123）

家用燃?xì)庠钍侨粘Ｉ钪谐Ｒ姷呐腼冊O(shè)備，但在使用過程中，燃燒產(chǎn)生的一氧化碳（CO）排放對人體健康和環(huán)境安全造成潛在威脅。因此，研究氫氣比例對家用燃?xì)庠钊紵a(chǎn)生CO的影響具有重要意義。近年來，氫能作為清潔能源的代表之一備受關(guān)注。將氫氣與天然氣混合作為燃料已被應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括家用燃?xì)庠?。不同氫氣比例對燃燒過程會產(chǎn)生不同的影響，特別是對CO 的生成具有顯著影響[1]。然而，目前對于氫氣比例對CO 排放的具體影響了解仍然有限。本研究旨在系統(tǒng)研究氫氣比例對家用燃?xì)庠钊紵a(chǎn)生CO 的影響，并探討其中的機(jī)理。通過調(diào)整氫氣比例，可以模擬不同的燃燒條件，從而評估CO 排放的變化趨勢。研究結(jié)果將為家用燃?xì)庠畹脑O(shè)計和使用提供指導(dǎo)，以減少CO 排放的可能性。通過深入了解氫氣比例對CO 排放的影響機(jī)理，可以更好地優(yōu)化家用燃?xì)庠畹脑O(shè)計和使用，以提高燃燒效率和減少對環(huán)境和人體健康的潛在威脅。

1 家用燃?xì)庠钊紵a(chǎn)生CO 的危害

近年來，家用燃?xì)庠钜谎趸际鹿蕰r有發(fā)生，給人們的生命和財產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重威脅。這些事故往往是由于燃?xì)庠钍褂貌划?dāng)或存在故障引起的。例如，有人因為在閉門環(huán)境下使用燃?xì)庠睿㈤L時間沒有通風(fēng)，導(dǎo)致一氧化碳積聚到危險濃度，最終中毒甚至死亡。

CO 是一種無色、無味、無刺激性的有毒氣體，極易在密閉空間中積聚。當(dāng)人們使用燃?xì)庠钸M(jìn)行烹飪時，如果燃燒不完全，會產(chǎn)生大量CO。長時間暴露于高濃度的CO 環(huán)境中，會引發(fā)一系列健康問題，包括頭痛、惡心、嘔吐、乏力等輕微癥狀，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致窒息和死亡。因此，了解家用燃?xì)庠钊紵a(chǎn)生CO 的情況，保持燃?xì)庠畹牧己脿顩r有著重要的意義。

2 燃?xì)庠罱Y(jié)構(gòu)及燃燒機(jī)理

燃?xì)庠钍且环N使用燃?xì)庾鳛槿剂系膹N房設(shè)備，它通過燃?xì)夤艿缹⑷細(xì)廨斔偷交鹁嫔戏降娜紵髦?。燃?xì)庠钪饕扇紵?、噴嘴、閥門和控制器等組成，結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。當(dāng)燃?xì)膺M(jìn)入燃燒器時，通過噴嘴的作用，燃?xì)獗混F化成微小的顆粒，并與空氣混合。然后，燃?xì)馀c空氣混合物在燃燒器內(nèi)被引燃，產(chǎn)生火焰。火焰的形成是由燃燒反應(yīng)引起的，主要包括氧化和熱解兩個過程。在氧化過程中，燃?xì)庵械奶細(xì)浠衔锱c空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳和水蒸氣等氧化產(chǎn)物[2]。在熱解過程中，高溫下，部分燃?xì)夥肿訒l(fā)生斷裂，生成一些自由基和活性物質(zhì)，這些物質(zhì)繼續(xù)與氧氣發(fā)生反應(yīng)，加速燃燒過程，燃燒過程關(guān)鍵反應(yīng)方程式如表1 所示。燃?xì)庠畹目刂破髌鹬匾淖饔茫軌虮O(jiān)測和調(diào)節(jié)燃?xì)庠畹娜細(xì)廨斔退俣群突鹧娲笮?。通過控制器，可以根據(jù)使用者的需求來調(diào)節(jié)火焰的大小，從而控制加熱溫度和火力。通過噴嘴將燃?xì)忪F化后與空氣混合，在燃燒器內(nèi)點火引燃，產(chǎn)生火焰的過程[3]?？刂破髌鸬搅吮O(jiān)測與調(diào)節(jié)燃?xì)庠罟ぷ鳡顟B(tài)的作用，以滿足用戶的需求。

表1 反應(yīng)方程式

圖1 燃?xì)庠罱Y(jié)構(gòu)模型

燃?xì)庠畹娜紵磻?yīng)是一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，它利用燃?xì)馀c空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)來釋放能量。當(dāng)燃?xì)庠畲蜷_時，燃?xì)夂涂諝庵械难鯕膺M(jìn)入到灶具的燃燒室內(nèi)。在燃燒室內(nèi)，燃?xì)馀c氧氣發(fā)生反應(yīng)。首先，燃?xì)夥肿樱ㄈ缂淄?，乙烷等）在高溫下發(fā)生裂解，產(chǎn)生碳?xì)浠衔锏淖杂苫?。這些自由基隨后與空氣中的氧氣分子發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳和水蒸氣。其中，碳?xì)浠衔镒杂苫c氧氣分子反應(yīng)生成一氧化碳和水蒸氣。接著，一氧化碳再與氧氣進(jìn)一步反應(yīng)，生成二氧化碳。同時，水蒸氣在高溫下會逐漸冷卻并凝結(jié)成水。整個燃燒過程伴隨著大量的能量釋放，因為這是一個放熱反應(yīng)。這些釋放的能量會使燃燒室內(nèi)溫度升高，并傳導(dǎo)到鍋底，使食物迅速加熱。需要注意的是，在燃?xì)庠钊紵^程中，如果燃料供應(yīng)不足或氧氣供應(yīng)過多，可能會產(chǎn)生不完全燃燒的現(xiàn)象。這時會生成一氧化碳等有害氣體，對人體健康產(chǎn)生危害。

3 不同氫氣比例下CO 生成物分析

氫氣比例對CO 生成物的影響是顯著的。當(dāng)氫氣比例較高時，CO 生成物的含量會相應(yīng)減少。這是因為高氫氣比例下，反應(yīng)中的氧氣被更充分地利用，從而減少了CO 的生成。另一方面，當(dāng)氫氣比例較低時，CO 生成物的含量會增加。這是因為低氫氣比例下，反應(yīng)中的氧氣不能充分利用，導(dǎo)致更多的CO 生成[4]。因此，在不同氫氣比例下進(jìn)行CO 生成物的分析是非常重要的，可以幫助更好地理解氫氣和CO 之間的關(guān)系，并優(yōu)化反應(yīng)條件以控制CO 的生成。

在含碳燃料不完全燃燒時，產(chǎn)生的CO 會對人體健康帶來一定的影響。為了降低CO 的生成量，可以通過摻入不同氫氣比例來調(diào)整燃燒過程，實驗結(jié)果如圖2、圖3 所示。實驗結(jié)果表明，當(dāng)摻入5%氫氣時，燃燒產(chǎn)生的CO 明顯下降。進(jìn)一步分析火孔出口處的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同氫氣比例下內(nèi)側(cè)火孔CO 摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.066 00、0.049 90、0.064 00、0.064 50。這一結(jié)果與氫氣反應(yīng)產(chǎn)生的生成物以及燃燒過程中的反應(yīng)溫度密切相關(guān)。

圖2 氫氣比例對火孔出口CO 分布的影響

圖3 氫氣比例對燃燒區(qū)域CO 分布的影響

此外，氫氣比甲烷更容易發(fā)生反應(yīng)且反應(yīng)更劇烈，這提高了甲烷反應(yīng)時的溫度，促進(jìn)了甲烷的完全燃燒過程，從而有效減少了CO 的生成。在Fluent 計算整體燃燒區(qū)域的生成物分布時，結(jié)果顯示燃燒區(qū)域總體CO 摩爾分?jǐn)?shù)從0.061 00 降至0.055 10、0.056 10、0.056 08。這表明在摻氫體積分?jǐn)?shù)為5%時，CO 摩爾分?jǐn)?shù)下降最多。然而，此時也伴隨著燃燒溫度的大幅降低。而在摻氫體積分?jǐn)?shù)為15%時，既減少了CO 的生成，又保持了一定的燃燒溫度。

通過摻入不同氫氣比例可以有效降低含碳燃料不完全燃燒產(chǎn)生的CO。然而，在選擇摻氫體積分?jǐn)?shù)時需要權(quán)衡CO 的生成量和燃燒溫度的變化，以兼顧環(huán)境友好和燃燒效率。此研究結(jié)果對于優(yōu)化燃燒過程、減少CO 排放以及改善人體健康具有重要意義。

4 結(jié)束語

本研究旨在探討氫氣比例對家用燃?xì)庠钊紵a(chǎn)生CO 的影響。通過調(diào)整氫氣比例，發(fā)現(xiàn)不同比例下CO 排放量存在顯著差異。隨著氫氣比例的增加，CO 排放量呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢。這是因為氫氣具有更高的燃燒效率，同時也會促進(jìn)燃燒反應(yīng)中的氧化作用，從而減少CO 生成的可能性。然而，需要注意的是，在某些過高的氫氣比例下，也可能導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定、爆炸等安全問題。因此，在使用氫氣混合燃料時，需要平衡燃燒效率和安全性之間的考慮，并根據(jù)實際需求選擇合適的氫氣比例。研究發(fā)現(xiàn)相比于純甲烷，摻氫的優(yōu)勢在工況中表現(xiàn)明顯。加入氫氣后，混合燃料的熱值會下降，并且燃燒溫度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。隨著摻氫體積分?jǐn)?shù)的增加，CO 摩爾分?jǐn)?shù)逐漸減少。當(dāng)摻入15%氫氣時，不僅減少了CO 摩爾分?jǐn)?shù)，還保持了適宜的燃燒溫度。這對于提高家用燃?xì)庠畹沫h(huán)保性能非常有利。本研究的結(jié)果對家用燃?xì)庠畹脑O(shè)計和使用具有重要意義。通過優(yōu)化氫氣比例，可以提高燃燒效率，減少CO 排放，降低對環(huán)境和人體健康的潛在威脅。此外，本研究結(jié)果還為促進(jìn)清潔能源在家庭生活中的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。然而，需要指出的是本研究還存在一些限制。盡管對氫氣比例的影響進(jìn)行了初步的實驗探索，但考慮到每個地區(qū)的能源供應(yīng)和實際情況的差異，進(jìn)一步的研究還需要更多的樣本和實驗數(shù)據(jù)來驗證和完善現(xiàn)有結(jié)果。綜上所述，本研究通過研究氫氣比例對家用燃?xì)庠钊紵a(chǎn)生CO 的影響，為優(yōu)化燃燒效率、減少CO 污染、促進(jìn)清潔能源應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。希望這些研究成果能夠為改善家庭烹飪環(huán)境、保護(hù)環(huán)境健康做出貢獻(xiàn)。