氫氣燃燒技術及其進展

趙欽新， 王宗一， 鄧世豐， 王寧， 曲騰， 梁志遠， 修浩然

(西安交通大學能源與動力工程學院, 西安 710049)

隨著全球范圍內碳減排政策不斷推出，氫氣作為一種在利用過程中不直接產生CO2、SO2以及煙塵等污染物的高能量密度的氣體，被視為目前最有發展潛力的清潔燃料。目前，許多國家與地區都在積極地推行氫能的發展戰略，美國、日本、韓國以及以德國為首的眾多歐洲國家已經就氫能的開發利用展開了如電制氣(power to gas, P2G)、天然氣管道注氫(H2injection into the gas grid, HIGG)、氫能小鎮等示范性或者研究性的項目[1]。

2020年4月，國家能源局印發的《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》中正式將氫能列為能源范疇，并于2020年6月將其寫入《2020年能源工作指導意見》[2]，同時中國首個HIGG項目也于2020年5月進入試驗階段,推進氫能的發展已經成為中國能源消費結構優化和能源轉型的重要一環。

氫能的產業鏈主要包括：上游的氫氣制造、中游的氫氣儲運和下游的氫氣利用。目前中國主流的氫氣制造方式以煤制氫為主，另外還有天然氣制氫、工業副產氣制氫以及電解水制氫，且已經有許多學者對這些制氫方式進行了效率以及經濟性的分析[3]，并做出了系統性的總結和論述。而氫能的儲存運輸則主要涉及儲氫材料的開發，氫脆機理的研究以及天然氣管道注氫可行性和經濟性的分析[4-6],是目前氫能行業研究的熱點，也已經取得了一定的進展。

氫氣主要應用于化工原料制備、移動出行、電力生產以及工業和家庭用熱等領域。目前大多數氫氣都用來制備氨、石化產品等化工原料，然而，氫氣燃燒利用作為推進氫能低碳利用的主體僅占中國氫氣總消耗量的約15%，這與中國氫能的發展戰略極度不匹配，而這種現象的產生主要與氫氣燃燒技術發展過程中遇到的困難有關。目前氫氣燃燒的相關實驗數據以及數學模型相對匱乏，而氫氣在其燃燒過程中又極易發生諸如回火，熱聲振蕩等燃燒不穩定問題，再加上氫氣較高的燃燒溫度所帶來的更高的氮氧化物排放問題，這都為氫氣燃燒技術的推進與實際應用帶來困難。

目前，氫氣燃燒技術的發展一方面側重于氫氣燃燒特性以及氫氣燃燒不穩定現象機理的研究，另一方面部分學者也開始就諸如氫氣的催化燃燒，微尺度燃燒等新型燃燒技術和與其他燃料摻燒展開研究。但是總體來說，目前氫氣燃燒的相關研究較少，更缺乏系統性的論述和總結，因此，將針對氫氣的燃燒特性進行分析，并總結目前氫氣燃燒研究所取得的進展和發展方向，為氫氣的燃燒利用提供了一定的參考與借鑒。

1 氫氣的燃燒特性分析

氫氣的物理、化學性質與天然氣(甲烷)相比，有著十分顯著的差異，表1[7]為常溫常壓下氫氣的燃燒特性與天然氣的燃燒特性的對比。

表1 常溫常壓下氫氣與天然氣燃燒特性對比[7]Table 1 Comparison of combustion characteristics of hydrogen and natural gas at room temperature and pressure[7]

從表1可以看出，氫氣與天然氣相比可燃范圍(體積分數)更廣，貧燃極限更低，而富燃極限更高，同時氫氣的點火溫度與甲烷相似，但點火能只有甲烷點火能的7%，這意味著氫氣的自動點火時間要遠低于甲烷，因此氫氣具有更高的自燃以及爆炸風險。

氫氣的最大層流火焰速度是天然氣的8倍，因此在相同的預混氣體流速下，氫氣火焰會更加緊湊，更容易從火焰筒向上游傳播到預混段內，引發回火問題，同時燃燒速度的差異意味著在燃燒時化學反應特征時間以及火焰形狀的變化，兩者都會對熱釋放產生影響，進而改變燃燒室的壓力脈動與熱釋放之前的相位關系，因此當使用普通的天然氣燃燒器直接燃燒氫氣時極有可能發生熱聲振蕩現象，為設備的正常運行帶來極大的安全隱患。

氫氣的絕熱火焰溫度要高于甲烷，且火焰形狀也更加緊湊，因此更容易在實際的燃燒過程中出現超過2 000 ℃以上的局部高溫，增加了普通碳鋼容器發生蠕變的風險[8]，控制燃燒室的溫度分布也是在氫氣燃燒時必須注意的問題。同時，隨著超低排放的不斷推進，氮硫氧化物排放的高低成為評判一種燃料發展前景的重要標準，雖然氫氣在燃燒過程中并不會產生硫氧化物，但是氫氣較高的燃燒溫度會導致如式(1)所示的副反應的發生。

(1)

通過以上反應產生的氮氧化物被統稱為熱力型氮氧化物，與天然氣相比，氫氣的燃燒會產生更多的熱力型氮氧化物，進而致使氫氣燃燒時的氮氧化物排放量要大于天然氣燃燒時的氮氧化物排放量[9]。SIEMENS公司、GE公司以及ENEL公司等都對氫燃料燃機的氮氧化物排放進行了大量的測試分析，采用擴散燃燒的氫燃料燃機的排放多在15×10-6～25×10-6，無法滿足超低排放的需求[10-12]，但可以通過添加氮氣或水蒸氣作為稀釋劑來進一步降低排放，而添加過量的稀釋劑會導致燃燒不穩定，從而增加發生回火和熱聲振蕩問題的風險[13]。對于氫燃料預混旋流燃燒來說，雖然采用貧預混技術可以有效地降低氮氧化物的排放，但是仍然會導致回火和熱聲振蕩等燃燒不穩定問題的發生[14]，因此，要解決氫燃料在擴散以及預混燃燒時所面臨的氮氧化物排放問題，就必須先解決氫燃料燃燒時的燃燒不穩定問題。因此，解決氫氣燃燒時所存在的回火、熱聲振蕩問題具有不可替代的重要性。

2 氫氣的回火特性分析

回火是貧預混燃燒系統的固有問題，它指的是本應該穩固在火焰筒內部的火焰向上游傳播到預混段內，回火現象會顯著地增加污染物的排放，更會損壞噴嘴甚至整個燃燒系統[15]。回火按照引發的原因可以分為四類：邊界層回火、整體流動回火、燃燒誘導渦破碎回火以及熱聲振蕩回火[16]。

2.1 邊界層回火

邊界層回火與整體流動回火產生的本質原因都是混合氣的局部流速小于火焰的傳播速度，但是不同的是邊界層回火發生在邊界層內部，而整體流動回火則發生在主流區，Lewis等[16]根據甲烷火焰與壁面的迭代作用結合淬熄原理得到了判斷火焰是否發生邊界層回火的標準，可表示為

(2)

式(2)中：g為臨界速度梯度；SL為層流火焰傳播速度；dq為發生淬息現象的距離；u為軸向速度；τ為徑向坐標；下標bl表示在邊界層內部的速度梯度。

根據式(2)推斷，當邊界層內的速度梯度過低時，邊界層內就會發生回火，但是根據Wohl[17]的研究結果發現，此理論并不適用于湍流流動，更不適用于旋流流動，但是實際上湍流的臨界速度梯度要遠大于層流的臨界速度梯度，因此邊界層回火幾乎不會發生在旋流和高湍流度的流動之中。而對于氫氣而言，氫氣的層流火焰傳播速度SL遠大于甲烷，同時氫氣比起甲烷更不容易發生淬息現象，具有更低的淬息距離dq[18-19]，所以按照Wohl[17]的理論氫氣應當具有更高的邊界層回火的臨界速度，也更容易發生邊界層回火，但是目前對氫氣邊界層回火的實驗和模擬都非常有限，氫氣發生邊界層回火的判據更是有待研究。

2.2 整體流動回火

整體流動回火就是當湍流火焰傳播速度超過主流區局部氣流速度時所發生的回火，因此為了避免發生整體流動回火，首先要防止預混段內部出現局部的低速區和尾跡區[20],其次要根據湍流火焰傳播速度去合理選擇預混氣體的流速。

湍流火焰傳播速度總體來說受層流火焰傳播速度以及湍流度的影響，而在燃燒的過程中，當燃料確定的情況下，層流火焰傳播速度又會隨著溫度和壓力的變化而改變，根據Liu等[21]和Burke等[22]研究可知，氫氣的層流火焰傳播速度會隨著溫度的升高而成指數型增加，且當量比越高增加的速度會越快，使用CHEMKIN軟件按照Dryer機理進行模擬也能得到相同的結果[23]。但是壓力對層流火焰傳播速度的影響并未形成統一的觀點,根據Coffee[24]與Dryer機理模擬得到的結果，氫氣的層流火焰傳播速度會隨著壓力的增大而減小，但是Doebbeling等[25]的實驗結果與前兩者差距較大，而Burke等[22]的實驗結果的趨勢甚至與前三者相反，認為氫氣的層流火焰傳播速度隨著壓力的增大而增大；湍流火焰傳播速度受湍流度的影響巨大，因此對于擁有高火焰傳播速度的氫燃料來說，應該選用低湍流度的噴嘴來減少回火的風險[26]。

湍流度和層流火焰傳播速度只能定性地分析氫氣的湍流火焰的變化趨勢，如果想準確得到氫氣的湍流火焰傳播速度必須要有相應的計算關系式，學者們在此領域進行了許多的研究，但是這些研究多限于特定工況下氫氣與碳氫燃料，氨氣和一氧化碳等燃料的混合燃燒[27-30]，缺乏普適性，更無法對純氫氣的湍流火焰傳播速度作定量的計算，致使氫氣的整體性回火預測變得十分困難。

2.3 燃燒誘導渦破碎回火與熱聲振蕩回火

燃燒誘導渦破碎回火是指燃燒時的化學反應讓冷態流場發生變化，使回流區的渦發生破碎，火焰隨著破碎的渦向上游的預混段傳播進而導致上游的流場也發生改變致使再次發生渦破碎，重復這個過程直至火焰充滿整個預混段所發生的回火現象[31]。與傳統的碳氫燃料相比，氫氣的燃燒特性和高擴散性致使氫氣的燃燒會對冷態流場造成更大的改變，從而導致燃燒誘導渦破碎回火是氫氣在旋流燃燒時最容易發生的回火現象[32],而事實上燃燒誘導渦破碎回火現象也是在甲烷-氫氣混合氣燃燒時才被首次發現[33]。

渦破碎產生的機理可以由渦量運輸方程來進行解釋。

(3)

式(3)等號右側第一項表述流場的速度梯度對渦量的影響，第二項表述熱態流場中流體微團膨脹的影響，第三項表述熱態流場中火焰膨脹或者傾斜產生的斜壓扭矩，第四項表述黏性耗散，一般忽略不計[34]。

Kiesewetter等[34]認為在接近回火極限時流體膨脹項產生正的切向渦量從而抑制渦破碎的發生，而斜壓扭矩項則會產生負的切向渦量促進渦破碎的發生。Burmberger等[35]認為斜壓扭矩產生的負的切向渦量是導致渦破碎發生的根本原因，當氫氣的當量比增加時，負的切向渦量會更大，從而更容易發生回火。De等[36]對氫氣-甲烷混合氣和甲烷進行了計算和對比分析，發現對于氫氣-甲烷混合氣，速度梯度項以及黏性耗散項的作用可以相互抵消，但是體積膨脹項和斜壓扭矩項共同作用下會導致負的切向渦量產生，而對于單獨的甲烷來說，這兩項則會產生正的切向渦量，從而證明了氫氣比起甲烷更容易發生燃燒誘導渦破碎回火。

燃燒誘導渦破碎回火的最大特點是可以發生在預混氣體流速大于火焰傳播速度的情況下。Kr?ner等[37]認為在某些情況下提高預混氣體的流速會促進燃燒誘導渦破碎回火的發生。但是田曉晶[7]通過對多組實驗數據進行正交分析，認為預混氣體的流速與溫度以及旋流度等因素相比對燃燒誘導渦破碎回火的影響幾乎可以忽略不計，而溫度的提高，旋流強度的增加會有效地促進燃燒誘導回火的發生。與整體流動回火相似，關于壓力對燃燒誘導渦破碎回火的影響同樣沒有定論，目前最可信的說法是壓力變化本身不會改變回火極限，預混段的壓差變化才會對回火極限造成影響[38-40],但這些結論大多都依托于模擬或者并非來自于純氫氣的燃燒工況，氫氣的燃燒誘導渦破碎回火特性仍然有很大的研究空間。

熱聲振蕩回火是指發生熱聲振蕩后壓力的周期性變化反復改變速度的脈動從而引發的回火現象，它只是發生熱聲振蕩現象時可能引發的諸多事故之一[41]。因此，比起氫氣的熱聲振蕩回火，在研究時更應該關注熱聲振蕩現象本身。

3 氫氣的熱聲振蕩特性分析

熱聲振蕩是指燃燒系統中大幅度的周期性壓力振蕩，它不僅會影響設備的正常工作，還可能會通過產生結構共振并向燃燒室的壁面強化傳熱進而導致整個系統的崩潰，熱聲振蕩現象是推進系統，發電系統以及鍋爐的發展過程中不可回避的問題[42]。

熱聲振蕩產生的機理如圖1所示，當火焰熱釋放的脈動p′與燃燒室的壓力脈動q′滿足瑞利準則。

(4)

即兩者的相位差小于90°時，火焰的熱釋放就會向壓力脈動傳播能量，如果此時傳遞的能量大于由輻射、黏性、傳熱等因素引起的聲學阻抗所帶來的耗散時，那么壓力脈動的能量就會不斷地累積形成聲波振蕩并通過聲波振蕩改變燃料流動以及混合的相關參數，從而致使燃燒室內速度和壓力的分布產生波動，再次加重聲波振蕩，最終形成一個閉環的正反饋過程，引起熱聲振蕩的發生[36]。

圖1 熱聲振蕩機理Fig.1 Thermoacoustic oscillation mechanism

Lieuwen[43]根據熱聲振蕩的機理將熱釋放率表述為

(5)

式(5)中：ρr為反應物的密度；Sr為反應物的消耗速率；Δhr為反應物的質量熱釋放；dA為火焰面的微分，這些因素的改變都可能會造成熱釋放率的波動；fs表示沿火焰表面積分。

火焰形狀在一定程度上可以由火焰質心的位置表述，當火焰質心的位置相同時，火焰的形狀也相似。根據Figura等[44]的實驗,氫氣加入后火焰明顯變短，而火焰質心的位置也更靠近噴口，火焰形狀發生明顯改變，這是因為氫氣的加入會使火焰鋒面的褶皺加劇，從而提高燃燒速度，進而影響了火焰的形狀。氫氣燃燒時反應物的密度，反應物的消耗速率以及反應物的質量熱釋放都與天然氣有很大的不同，因此如果將氫氣與天然氣進行摻燒，或者直接用天然氣燃燒器燃燒氫氣，這都會對燃燒時的熱釋放率帶來巨大的波動，大大增加發生熱聲振蕩的風險。同時，根據Wicksall等[45]的實驗，對于碳氫燃料與氫氣的摻混燃燒，隨著氫氣摻入比的增加，發生熱聲振蕩時的總聲功率隨溫度增加的速度會大幅地增加，這是因為氫氣的加入會使原有的275～600 Hz較寬頻帶的振動轉化為450 Hz的高強度振動，這種高強度振動會使材料發生疲勞失效，從而嚴重地損壞燃燒室，這意味著氫燃料發生熱聲振蕩的危害要遠大于傳統的碳氫燃料。

早些年氫氣的熱聲振蕩特性研究主要側重于研究氫氣的加入對碳氫燃料熱聲振蕩特性的影響[45-47],近五年來，隨著世界范圍內對氫燃料的不斷推進，有學者對氫氣自身的熱聲振蕩特性進行了研究，這些研究都側重于貧預混旋流燃燒工況。劉曉佩等[48]對影響氫燃料貧預混旋流燃燒熱聲振蕩的因素進行了研究，發現振蕩的主頻會隨著當量比的增大而增大，在當量比足夠高后，主頻會穩定在約425 Hz，這與Wicksall等[45]的研究結果是一致。同時，劉曉佩等[48]研究發現，隨著空氣質量流量的增大，振蕩強度達到最大值的當量比也會更高，這導致能夠穩定燃燒的范圍會更小。Shoji等[49]和Veiga-López等[50]分別對貧預混旋流燃燒時發生熱聲振蕩時的火焰形狀進行了研究，發現熱聲振蕩時的氫氣火焰和天然氣火焰差異很大，因此難以用天然氣的火焰流動模式來描述氫氣，同時Veiga-López等[50]研究認為，由于氫氣具有高擴散性，所以不能用判斷等擴散混合物的判據對氫氣進行理論分析。

總體來說，目前氫氣熱聲振蕩的相關研究較少，缺乏工況的積累，更缺乏專用的理論分析手段，為氫燃料貧預混旋流燃燒的推進帶來了很大的困難。

4 新型氫氣燃燒技術

為了規避上述擴散以及預混燃燒中氫氣的氮氧化物排放以及燃燒不穩定問題，近幾年來，部分學者開始對氫氣的催化燃燒以及氫燃料微型燃燒器進行研究，具體如下。

4.1 氫氣催化燃燒

氫氣催化燃燒技術能夠使氫氣只在催化劑表面發生燃燒，進而在一定程度上限制熱量的產生，降低燃燒時的溫度，從而有效減少氮氧化物的排放，同時整個燃燒過程較為穩定，不存在回火問題，更能夠有效降低氫氣穩定燃燒時的最低當量比[51]，目前氫氣的催化燃燒技術主要應用于工業脫氫、家用取暖以及家用加熱爐等領域。氫氣催化燃燒的效果主要取決于催化劑的效果以及反應器的結構，下面將針對這兩方面分別展開詳述。

氫氣催化燃燒的催化劑必須具有足夠的儲氧能力和熱穩定性，同時能夠使氧氣和氫氣活化[52]，因此目前常常選用在低溫下對氫氣有良好吸附作用的Pt和Pd兩種貴金屬作為催化劑，但是由于Pd的成本要高于Pt，催化效果卻并不比Pt好太多[53]，對于簡單的氫氧反應來說選用Pt已經完全足夠，因此Pd催化劑更多地運用在較為復雜的催化反應體系，如氫敏傳感器的制備[54]。Pt等貴金屬催化劑在高溫下易發生聚集現象，從而降低比表面積。Prezz等[55]在進行氫的催化燃燒實驗時發現，Pt在390 ℃以上進行5次疲勞過程后就會發生明顯的聚集現象，但是使用金紅石相的TiO做載體能夠有效地抑制Pt的聚集現象[56]。而Arzac等[57]在對TiO2,Al2O3以及SiC 3種載體進行試驗后發現，聚集現象最明顯的SiC載體反而具有最高的催化活性和穩定性，因此認為在氫氣催化燃燒的過程中，Pt發生聚集并不一定會減弱催化活性和穩定性。

氫氣催化燃燒反應器大致可以分為固定床反應器、整體式反應器、微通道反應器以及其他具有特殊結構的反應器。氫氣的固定床反應器通常由固定有一定量催化劑的圓柱形的管組成，固定床反應器具有操作簡單、成本低、催化劑的空間密度高等優點，因此它不僅適用于催化劑的活性測試和動力學研究，也適用于化工過程以及工業的實際應用，但是固定床反應器也具有溫度分布差、表面積小、壓降大的缺點[58]。整體式反應器則是以蜂窩狀的陶瓷或者金屬作為載體，將一整塊催化劑作為反應器，與固定床相比，整體式反應器的壓降更小，表面積更大，溫度分布更均勻，傳質效率更高[59]。微通道反應器的特點和整體式反應器相似，但是它具有更高的能量密度[60]。雖然這3種反應器在天然氣催化燃燒領域已經有了相當多的發展，但是由于氫氣的燃燒特性仍然有待研究，所以目前這些反應器主要應用于氫氣的貧預混燃燒特性研究[61-62]和工業脫氫領域[63]。

氫氣催化燃燒的反應器也主要開始朝家用化、小型化、緊湊化的方向發展，并追求更高的熱效率以及燃料利用率。其中較為典型的是Fumey等[64]設計的一款家用氫氣燃燒器,該氫氣催化燃燒的燃燒器由階梯型的圓柱形不銹鋼外殼和4個多孔SiC泡沫陶瓷盤組成，氫氣從底部中心供入，通過第一層擴散器圓盤，使氫氣均勻分布，再通過第二層有Pt涂層構成主燃燒區的SiC圓盤，在第二層上方有多孔供氣管用于空氣的分配,第三層是二級分配器盤，最后一層是第二個涂有Pt的催化活性盤。該燃燒器能將氫氣的燃燒溫度控制在500～750 ℃，并可以將氮氧化物排放量降低到1×10-5以下，為家用氫氣加熱爐的設計提供了新的方向。

4.2 氫氣微尺度燃燒

由于氫氣的能量密度可以達到140 MJ/kg，遠大于化學電池(0.4～1.5 MJ/kg)的能量密度，因此隨著微加工技術的發展，以氫氣或者碳氫化合物為燃料用以給微型機電系統(micro electro-mechanical system, MEMS)提供動力的微型動力系統也成為目前研究的熱點[65]，并被寄希望應用于便攜式電子設備、軍事、小型無人機等領域。典型的熱機類型的微型動力系統主要包括微型燃氣輪機，三角轉子發動機，微型自由活塞發動機，微型推進器等，還有一部分微型動力系統將燃燒的熱能通過塞貝克效應、光伏效應將熱能轉化為電能，如微型熱電裝置以及微型燃料電池等[66]，而這些裝置的開發都離不開微型燃燒器中的微尺度燃燒，因此改善氫氣和碳氫燃料的微尺度燃燒狀況，提高系統整體的熱效率與功率成為MEMS發展中最為重要的問題之一。

氫氣的微尺度燃燒首先要考慮的是氫氣在微燃燒器中的淬熄現象，淬熄指的是火焰在狹縫中運動一段距離后熄滅的現象，雖然氫氣的最小淬熄距離(0.64 mm)已經遠小于天然氣(2.03 mm)，但微燃燒器較大的面容比帶來的熱損失仍然會引發溫度的大幅度降低進而導致熄火，目前穩定燃燒的方法主要有使用過量焓燃燒、添加多孔介質、加入催化劑、加入鈍體等。

過量焓燃燒是指熱量不通過質量傳遞的方式從燃燒產物傳遞給反應物，從而使反應物的總焓高于新鮮進氣的初始焓，簡單來說就是通過燃燒產物去預熱新鮮的反應物。如圖2所示，Lee等[67]通過過量焓燃燒的思想設計了一個圓柱形的微型回熱燃燒器，利用燃燒產生的煙氣對微燃燒器壁面進行加熱，成功地將微燃燒器壁面的溫度梯度從15 K/mm 降低到11 K/mm，有效地降低了熱損失，使燃燒更加的穩定。

通過向微型燃燒器內填充多孔介質，可以延長混合氣的滯留時間，不僅可以有效蓄熱，更能增強高溫氣體和壁面之間的熱傳遞，從而提高壁面的溫度，擴展氫氣的貧燃極限，Pan[68]對SiC、Si3N4、Al2O3多種多孔介質對氫氣微尺度燃燒的影響進行了比較，發現擁有較低比熱或較高熱導率的多孔介質(如SiC)能夠更有效地改善燃燒，并且多孔介質的孔隙率存在最優值，不能過大或過小。

微型氫氣催化燃燒器常用的催化劑與普通氫氣催化燃燒器一樣都是Pt,但微型催化燃燒的重點并不是減少氮氧化物排放，而是利用催化劑使氫氣燃燒更加迅速，有效縮短反應時間，從而提高燃燒反應的效率與溫度。Boyarko等[69]和Chen等[70]對微型氫氣催化燃燒器進行了測試，發現使用催化劑能夠有效地提高燃燒器內部的溫度和壓力，并且通過合理布置催化劑還能夠改變火焰分布，使溫度分布更加的均勻。

加入鈍體也可以改善燃燒，文獻[66,71-72]通過向氫氣微型燃燒器中加入圓錐形，長方體形以及十字隔板形等各種形狀的鈍體,改變了燃燒器內的流場以及燃料的回流特性，從而穩定火焰改善燃燒。王明昊等[73]通過使用不同阻塞比的圓錐形鈍體進行實驗時發現，加入鈍體雖然會產生回流區進而穩定燃燒，但由于鈍體的阻塞作用，鈍體附近的速度梯度會增大進而拉伸火焰，從而導致熄火，因此氫氣微型燃燒器的鈍體存在最優的阻塞比。

圖2 圓柱形微型回熱燃燒器Fig.2 Cylindrical miniature regenerative burner

此外，由于氫氣具有較小的最小猝熄距離，氫氣也常用來與氨，碳氫化合物等燃料進行摻混來改善其微尺度燃燒特性[74]，總之，氫氣比起常用的碳氫燃料在微尺度燃燒領域具有巨大的優勢。然而，雖然目前隨著MEMS的不斷發展，微型動力系統也開始被寄予厚望，但是目前對氫氣微尺度燃燒的研究大多只關注火焰穩定性以及熱效率等方面，鮮有排放物、腐蝕特性等其他方面的相關研究，氫氣的微尺度燃燒仍然有很大的發展以及研究空間。

5 天然氣摻氫燃燒

氫氣的燃燒不穩定問題導致純氫氣燃燒器距離市場化仍有一定距離，同時新型氫氣燃燒技術并不成熟更有待進一步的發展和推廣，因此借助于目前發達的天然氣輸運管網與成熟的天然氣燃燒技術，天然氣摻氫燃燒是目前氫氣燃燒領域最為實際可行的發展方向之一[75]。

氫氣和天然氣在物理化學性質方面存在較大的差異，兩者都屬于氣體能量載體，因此天然氣的壓縮、儲存、管道運輸，燃燒裝置等基礎設施都對氫氣有一定的適應性，這為天然氣摻氫燃燒的推行提供了基礎[76]。目前日本、荷蘭、英國、德國等國家都已有典型天然氣摻氫的示范性項目，摻氫比例在10%～30%。中國的首個天然氣摻氫項目——朝陽可再生能源摻氫示范項目也于2019年9月30日圓滿完成其第一階段，其摻氫比例為10%，只獨立為一個商業用戶供氣。表2[76]為各國天然氣管道允許摻氫的比例，其中中國對天然氣管道摻氫比例并沒有明確的要求，該數據是參考《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》(GB/T 37124—2018)中對作為雜質氣體的氫氣比例要求。雖然各國對天然氣管道摻氫比例并沒有統一的標準，且不同國家的管道、壓縮機、閥門、計量裝置等設備對氫氣的耐受程度也不同，但是目前可以達成的共識是就家用灶具與燃氣鍋爐來說，這些設備通常能夠承受氫氣占比在20%以內的天然氣氫氣混合氣，在安裝配套的檢測裝置后甚至能達到30%，而燃氣輪機則只能耐受氫氣占比約2%以內的天然氣氫氣混合氣[77-79]。因此，必須使用專用的燃燒器或是對已有的燃燒器進行改裝才可以進行天然氣與氫氣的摻燒。以日本三菱日立動力有限公司為例，其在2018年使用自研的干式低NOx燃燒器開展了J系列燃氣輪機的預混式燃燒測試，結果表明，在摻氫比例30%時，可以有效降低約10%的CO2排放量，并將發電效率穩定在63%以上，同時滿足NOx的要求[76]。

表2 不同國家天然氣管道允許摻氫的比例[76]Table 2 The proportion of natural gas pipelines in different countries that are allowed to mix hydrogen[76]

不論是對已有的燃燒器進行改造，還是采用專用的燃燒器，都會產生額外的支出造成經濟性損失，進而影響燃氣輪機天然氣氫氣摻燒的推行，但是家用燃具以及燃氣鍋爐由于對氫氣擁有相對較高的耐受度則不需要考慮這部分的經濟性損失。由于各國對天然氣成分標準要求并不一致，以中國普遍使用的12T天然氣為例，根據《城鎮燃氣分類和基本特性》(GB/T 13611—2018)的規定，12T天然氣的高華白數必須在45.66～54.77 MJ/m3范圍，其標準高華白數為50.72 MJ/m3，高熱值必須在31.97～43.57 MJ/m3范圍內，其標準高熱值為37.78 MJ/m3，12T天然氣高華白數和高熱值的具體數值會隨氣源的不同發生變化，但都應該在規定范圍內。氫氣的高熱值為12.07 MJ/m3，高華白數為45.78 MJ/m3，因此結合氫氣與具體天然氣氣源的華白數與高熱值數值進行計算，就可以得出該氣源最大的摻混比例。嚴榮松等[80]對中國具有代表性的12T-0、大鵬灣LNG(液化天然氣)、普光氣田氣為樣本進行了計算，從普適性的角度出發，認為在天然氣中摻入不高于20%的氫氣的情況下幾乎不會改變家用燃具在能效方面的表現。羅子萱等[81]測試了摻入20%以內的氫氣之后各種家用燃氣具的點火率，火焰穩定性以及排放特性，發現這些指標不僅能夠符合國家的標準，而且其CO和NOx排放量會隨氫氣摻入比的增加而減小，這與純氫燃燒時的較高NOx排放相悖。馬向陽等[82]通過實驗也得到了相同的現象，認為CO排放量的降低來源于C原子總量的降低，而NOx排放量的降低則是由于氫氣較高的燃燒速度減少了O2的停留時間，進而導致NOx的生成量減少。

總體來說，目前20%摻混比例以下的摻氫天然氣完全可以滿足家用燃氣具的工作需求，但考慮到氫氣的氫脆作用，摻氫天然氣在家用燃氣具燃燒時的安全性還有待評估。

6 結論

通過對氫氣的燃燒特性進行分析，詳述了氫氣在燃燒過程中存在的氮氧化物排放、回火、熱聲振蕩等問題的研究進展，并對氫氣的催化燃燒、微尺度燃燒以及天然氣摻氫燃燒技術的發展現狀進行了介紹，得到如下結論。

(1)氫氣特殊的物化性質使其比起碳氫燃料有著更高的燃燒溫度，但這也帶來了更加嚴重的氮氧化物排放，現在通過擴散燃燒的方式只能將氫氣的氮氧化物排放量控制在15×10-6～25×10-6，無法滿足超低排放的需求，而采用貧預混旋流燃燒則又會帶來回火、熱聲振蕩等燃燒不穩定問題，因此目前對于氫氣的氮氧化物排放問題的研究主要關注的反而是氫氣在貧預混條件下的穩定燃燒問題。

(2)氫氣的回火問題比起傳統的碳氫燃料更加嚴重，甚至還存在氫氣所獨有的燃燒誘導渦破碎回火，而這也是導致氫氣回火的主要原因。目前氫氣回火的數學模型主要依賴于對碳氫燃料回火的數學模型的改進，而氫氣自身的火焰傳播模型并沒有公認準確的結果，實驗得出的數據較少，更多依賴于模擬，因此研究多停留于單因素或者多因素對回火問題的定性研究，這為氫氣回火問題的研究帶來了很大的困難。

(3)氫氣在發生熱聲振蕩時的頻帶極窄，振蕩強度極高，帶來了極大的安全隱患，但實驗數據和數學模型的缺失使氫氣熱聲振蕩這個流體力學、聲學、燃燒學的多學科交叉問題的研究變得十分的困難。近年來，隨著氫燃料的不斷發展，氫氣貧預混旋流燃燒的實驗數據得到了一定的積累，氫氣熱聲振蕩特性的研究也開始逐漸起步。

(4)氫氣催化燃燒是目前減少氫氣擴散式燃燒氮氧化物排放的最有效的手段，催化燃燒的催化劑常用Pt，反應器與其他碳氫燃料相似，目前除了工業脫氫反應之外，氫氣催化燃燒正朝著小型化、家用化的方向發展，為家用加熱爐的設計提供了新的發展方向。氫氣的微尺度燃燒是MEMS發展中的關鍵，目前氫氣的微尺度燃燒主要著力于提高燃燒的穩定性與燃燒的熱效率，其他如排放以及腐蝕等相關研究較少，但隨著MEMS的不斷發展，氫氣的微尺度燃燒正迸發出越來越大的發展潛力。雖然催化燃燒以及微尺度燃燒可以在某些特定場合滿足熱能的需求，但是對于氫氣燃燒器尤其是大功率氫氣燃燒器的發展，氫氣的燃燒不穩定現象仍然是不可規避且有待解決的問題。

(5)天然氣摻氫燃燒是目前氫氣燃燒利用技術發展過程中最佳的過渡方案之一，摻氫比20%以下的天然氣氫氣混合氣完全可以滿足中國家用燃氣具的需求，并能夠有效地減少碳排放，但其安全性還有待評估，應結合中國的實際情況完成相關標準的制定，推動天然氣摻氫燃燒產業的發展。