家用燃气灶燃用掺氢天然气的实验研究

朱宏丹， 秦朝葵， 李 晖， 徐蔚春

(1.同济大学机械与能源工程学院，上海201804；2.上海林内有限公司，上海201411)

1 概述

可再生能源固有的间接性、波动性和不可预测性，以及电力需求放缓、装机过剩等原因，造成了部分地区出现弃风电、弃光电等现象[1]。氢被认为是最清洁的能源之一，电转气(Power to Gas，P2G)的技术路线正在欧洲等地进行积极探索：利用富余的可再生电力电解水制氢，然后将氢气以一定比例掺入既有天然气管网[2]或者将氢与二氧化碳制备甲烷。电转气既可有效消纳可再生能源电力，克服电力无法大规模、长时间储存的技术瓶颈，也能降低天然气系统的碳排放。

掺氢后，天然气组成发生变化，热值、密度、燃烧特性均会随之发生改变，从而导致燃气灶的燃烧工况、热负荷、热效率以及烟气中一氧化碳、氮氧化物含量等发生改变。本文采用实验方法，研究掺氢比(指体积比)对家用燃气灶(采用大气式燃烧器)的燃烧工况、热负荷、热效率与污染物排放量等的影响。

2 基础数据

以12T天然气为基准气，在家用燃气灶不进行任何调整的前提下，研究燃用不同掺氢比的掺氢天然气时的燃烧工况、热负荷、热效率与污染物排放量。天然气组成见表1。

表1 天然气组成

陈豪杰[3]以管道天然气为基准气，测试研究掺氢比为1%、3%、5%时，家用燃具热负荷与污染物(一氧化碳、氮氧化物)排放量的变化。马向阳等人[1]、严荣松等人[4]以及罗子萱等人[5]基于12T天然气实验研究了掺氢比分别为5%、10%、15%、20%的掺氢天然气对家用燃具能效、安全性与污染物排放的影响。在这些研究中，在最大掺氢比20%条件下未出现明显的燃烧工况恶化等问题，表现出良好的燃气互换性与燃具适应性。因此，笔者认为掺氢比20%比较保守，本文将掺氢比上限调整至40%。

3 实验内容

3.1 实验系统

实验系统见图1。实验系统分为配气系统、家用燃气灶燃烧特性测试系统。配气系统主要用于配置掺氢天然气。氢气从钢瓶流出后经减压阀降压至0.15～0.20 MPa，经水浴套管调整温度后进入配气装置与管道天然气进行混合，掺氢天然气从配气装置流出后经调压器调压至要求压力。掺氢比由高精度实时配气软件通过调整阀门的相对开度进行设置和调节。家用燃气灶燃烧特性测试系统按照GB 16410—2020《家用燃气灶具》设计。

图1 实验系统1.氢气钢瓶 2.减压阀 3.水浴套管 4.阀门 5.配气装置 6.调压器 7.湿式流量计 8.家用燃气灶 9.实验锅 10.精密温度计 11.搅拌器 12.烟气分析仪 13.热电偶 14.温度记录仪 15.声级计 16.烟气取样器 17.大气压力计 18.压力表

主要测量装置的性能参数见表2。热电偶埋入火盖中心。湿式流量计具有温度、压力数字显示功能。氮氧化物体积分数以一氧化氮体积分数表征。

表2 主要测量装置的性能参数

续表2

3.2 实验方法

选用JZT-2QLGH型家用燃气灶作为测试对象，额定灶前压力为2 000 Pa，左燃烧器额定热负荷为3.2 kW，右燃烧器额定热负荷为4.2 kW，实验选用右燃烧器。灶前压力控制为2 000 Pa，掺氢比分别设定为0%、10%、20%、30%、40%。根据GB 16410—2020《家用燃气灶具》的规定进行家用燃气灶燃烧工况、热负荷、热效率及污染物(一氧化碳、氮氧化物)体积分数实验。

家用燃气灶采用大气式燃烧器且有稳焰结构，然而，氢气燃烧速度远高于甲烷，随着掺氢比的增大，出现回火的趋势逐渐增加。因此，通过火焰形态以及出现熄火爆鸣的次数、最大声压级判断燃烧工况。每种掺氢比均进行20次熄火爆鸣实验，统计熄火爆鸣出现的次数与最大声压级。

通过拍摄火焰照片对比观察火焰形态、火焰高度及燃烧稳定性，采用声级计测试熄火爆鸣出现次数与最大声压级。

4 结果与讨论

4.1 燃烧工况

各种掺氢比下火焰形态见图2。随着掺氢比增大，火焰内锥逐渐变短，火焰逐渐变硬，未出现脱火、离焰、黄焰等不正常燃烧现象。不同掺氢比下家用燃气灶熄火爆鸣出现次数与熄火爆鸣最大声压级见表3。由表3可知，当掺氢比为0%、10%时，未检出熄火爆鸣。当掺氢比达到20%后，家用燃气灶出现轻微的熄火爆鸣现象。随着掺氢比继续增大，熄火爆鸣出现的次数与最大声压级也逐渐增大，但仍满足GB 16410—2020《家用燃气灶具》表2的熄火噪声等效声级小于等于85 dB的规定。

图2 各种掺氢比下火焰形态

表3 不同掺氢比下家用燃气灶熄火爆鸣出现次数与熄火爆鸣最大声压级

整体而言，家用燃气灶燃烧掺氢天然气的燃烧工况良好，但掺氢比达到30%后，容易引起熄火爆鸣。在这种情况下，若火盖位置异常很可能造成连续性回火，存在一定安全隐患。因此，出于安全考虑，家用燃气灶的掺氢比宜低于30%。

4.2 热负荷

按GB/T 12206—2006《城镇燃气热值和相对密度测定方法》测得掺氢天然气的低热值、相对密度。按照GB 16410—2020《家用燃气灶具》计算不同掺氢比下家用燃气灶的实测热负荷，见表4。随着掺氢比的增加，实测热负荷逐渐降低。与掺氢前相比，掺氢比为20%、30%时，热负荷分别下降10.4%、11.4%。

表4 不同掺氢比下家用燃气灶的实测热负荷

4.3 热效率

不同掺氢比下家用燃气灶的实测热效率、火盖温度、锅水等高处烟气温度见表5。由表5可知，家用燃气灶的实测热效率随掺氢比增大而降低。虽然掺氢比的增大增强了化学反应强度，且掺氢天然气的火焰传播速度加快，促进了高温烟气与锅底的对流传热，但掺氢比的增大也使火焰变短(见图3)，锅底与火焰距离增大，传热损失加大，最终导致实测热效率下降。当掺氢比小于等于20%时，家用燃气灶的实测热效率虽然随掺氢比的增大保持下降趋势，但幅度很小。当掺氢比大于20%后，家用燃气灶的实测热效率的下降速率显著增大。由于氢气燃烧温度更高，火盖温度随掺氢比增大而升高。火盖温度的升高使辐射散热损失增加，这也是实测热效率下降的原因。锅水等高处烟气温度未随掺氢比的变化出现明显变化。

表5 不同掺氢比下家用燃气灶的实测热效率、火盖温度、锅水等高处烟气温度

图3 不同掺氢比下火焰高度

4.4 污染物排放

过剩空气系数为1时，家用燃气灶烟气中一氧化碳、氮氧化物体积分数随掺氢比的变化见图4。

图4 过剩空气系数为1时家用燃气灶烟气中一氧化碳、氮氧化物体积分数随掺氢比的变化

由图4可知，一氧化碳的体积分数随掺氢比增大而减小，氮氧化物的体积分数变化不明显。由图3可知，火焰随着掺氢比的增大而变短，二次空气供给更加充分，燃烧更加完全，烟气中一氧化碳体积分数显著降低。虽然掺氢天然气的火焰温度高，容易形成热力型一氧化氮，但由于氢的火焰传播速度比甲烷更快，氮在高温区滞留时间更短，抑制了热力型一氧化氮的生成。两项因素叠加，使得烟气中氮氧化物的体积分数随掺氢比的变化并不明显。

5 结论

① 随着掺氢比增大，火焰内锥逐渐变短，火焰逐渐变硬，未出现脱火、离焰、黄焰等不正常燃烧现象。当掺氢比为0%、10%时，未检出熄火爆鸣。当掺氢比达到20%后，家用燃气灶出现轻微的熄火爆鸣。随着掺氢比继续增大，熄火爆鸣出现的次数与最大声压级也逐渐增大，但仍满足GB 16410—2020《家用燃气灶具》表2的熄火噪声等效声级小于等于85 dB的规定。

② 随着掺氢比增加，实测热负荷逐渐降低。与掺氢前相比，掺氢比为20%、30%时，热负荷分别下降10.4%、11.4%。

③ 家用燃气灶实测热效率随掺氢比增大而降低。当掺氢比小于等于20%时，家用燃气灶实测热效率虽然随掺氢比的增大保持下降趋势，但幅度很小。当掺氢比大于20%后，家用燃气灶实测热效率的下降速率显著增大。

④ 烟气中一氧化碳的体积分数随掺氢比增大而减小，氮氧化物的体积分数变化不明显。

⑤ 家用燃气灶燃用掺氢天然气时，掺氢比宜低于30%。