家用燃氣灶燃用摻氫天然氣的實驗研究

朱宏丹， 秦朝葵， 李 暉， 徐蔚春

(1.同濟大學機械與能源工程學院，上海201804；2.上海林內有限公司，上海201411)

1 概述

可再生能源固有的間接性、波動性和不可預測性，以及電力需求放緩、裝機過剩等原因，造成了部分地區(qū)出現(xiàn)棄風電、棄光電等現(xiàn)象[1]。氫被認為是最清潔的能源之一，電轉氣(Power to Gas，P2G)的技術路線正在歐洲等地進行積極探索：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[2]或者將氫與二氧化碳制備甲烷。電轉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，從而導致燃氣灶的燃燒工況、熱負荷、熱效率以及煙氣中一氧化碳、氮氧化物含量等發(fā)生改變。本文采用實驗方法，研究摻氫比(指體積比)對家用燃氣灶(采用大氣式燃燒器)的燃燒工況、熱負荷、熱效率與污染物排放量等的影響。

2 基礎數(shù)據(jù)

以12T天然氣為基準氣，在家用燃氣灶不進行任何調整的前提下，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氣，測試研究摻氫比為1%、3%、5%時，家用燃具熱負荷與污染物(一氧化碳、氮氧化物)排放量的變化。馬向陽等人[1]、嚴榮松等人[4]以及羅子萱等人[5]基于12T天然氣實驗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)出良好的燃氣互換性與燃具適應性。因此，筆者認為摻氫比20%比較保守，本文將摻氫比上限調整至40%。

3 實驗內容

3.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)見圖1。實驗系統(tǒng)分為配氣系統(tǒng)、家用燃氣灶燃燒特性測試系統(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減壓閥降壓至0.15～0.20 MPa，經水浴套管調整溫度后進入配氣裝置與管道天然氣進行混合，摻氫天然氣從配氣裝置流出后經調壓器調壓至要求壓力。摻氫比由高精度實時配氣軟件通過調整閥門的相對開度進行設置和調節(jié)。家用燃氣灶燃燒特性測試系統(tǒng)按照GB 16410—2020《家用燃氣灶具》設計。

圖1 實驗系統(tǒng)1.氫氣鋼瓶 2.減壓閥 3.水浴套管 4.閥門 5.配氣裝置 6.調壓器 7.濕式流量計 8.家用燃氣灶 9.實驗鍋 10.精密溫度計 11.攪拌器 12.煙氣分析儀 13.熱電偶 14.溫度記錄儀 15.聲級計 16.煙氣取樣器 17.大氣壓力計 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。濕式流量計具有溫度、壓力數(shù)字顯示功能。氮氧化物體積分數(shù)以一氧化氮體積分數(shù)表征。

表2 主要測量裝置的性能參數(shù)

續(xù)表2

3.2 實驗方法

選用JZT-2QLGH型家用燃氣灶作為測試對象，額定灶前壓力為2 000 Pa，左燃燒器額定熱負荷為3.2 kW，右燃燒器額定熱負荷為4.2 kW，實驗選用右燃燒器。灶前壓力控制為2 000 Pa，摻氫比分別設定為0%、10%、20%、30%、40%。根據(jù)GB 16410—2020《家用燃氣灶具》的規(guī)定進行家用燃氣灶燃燒工況、熱負荷、熱效率及污染物(一氧化碳、氮氧化物)體積分數(shù)實驗。

家用燃氣灶采用大氣式燃燒器且有穩(wěn)焰結構，然而，氫氣燃燒速度遠高于甲烷，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。每種摻氫比均進行20次熄火爆鳴實驗，統(tǒng)計熄火爆鳴出現(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，采用聲級計測試熄火爆鳴出現(xiàn)次數(shù)與最大聲壓級。

4 結果與討論

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氣灶熄火爆鳴出現(xiàn)次數(shù)與熄火爆鳴最大聲壓級見表3。由表3可知，當摻氫比為0%、10%時，未檢出熄火爆鳴。當摻氫比達到20%后，家用燃氣灶出現(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《家用燃氣灶具》表2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氣灶熄火爆鳴出現(xiàn)次數(shù)與熄火爆鳴最大聲壓級

整體而言，家用燃氣灶燃燒摻氫天然氣的燃燒工況良好，但摻氫比達到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，家用燃氣灶的摻氫比宜低于30%。

4.2 熱負荷

按GB/T 12206—2006《城鎮(zhèn)燃氣熱值和相對密度測定方法》測得摻氫天然氣的低熱值、相對密度。按照GB 16410—2020《家用燃氣灶具》計算不同摻氫比下家用燃氣灶的實測熱負荷，見表4。隨著摻氫比的增加，實測熱負荷逐漸降低。與摻氫前相比，摻氫比為20%、30%時，熱負荷分別下降10.4%、11.4%。

表4 不同摻氫比下家用燃氣灶的實測熱負荷

4.3 熱效率

不同摻氫比下家用燃氣灶的實測熱效率、火蓋溫度、鍋水等高處煙氣溫度見表5。由表5可知，家用燃氣灶的實測熱效率隨摻氫比增大而降低。雖然摻氫比的增大增強了化學反應強度，且摻氫天然氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，促進了高溫煙氣與鍋底的對流傳熱，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，最終導致實測熱效率下降。當摻氫比小于等于20%時，家用燃氣灶的實測熱效率雖然隨摻氫比的增大保持下降趨勢，但幅度很小。當摻氫比大于20%后，家用燃氣灶的實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氣灶的實測熱效率、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，家用燃氣灶煙氣中一氧化碳、氮氧化物體積分數(shù)隨摻氫比的變化見圖4。

圖4 過剩空氣系數(shù)為1時家用燃氣灶煙氣中一氧化碳、氮氧化物體積分數(shù)隨摻氫比的變化

由圖4可知，一氧化碳的體積分數(shù)隨摻氫比增大而減小，氮氧化物的體積分數(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數(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。兩項因素疊加，使得煙氣中氮氧化物的體積分數(shù)隨摻氫比的變化并不明顯。

5 結論

① 隨著摻氫比增大，火焰內錐逐漸變短，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。當摻氫比為0%、10%時，未檢出熄火爆鳴。當摻氫比達到20%后，家用燃氣灶出現(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《家用燃氣灶具》表2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，實測熱負荷逐漸降低。與摻氫前相比，摻氫比為20%、30%時，熱負荷分別下降10.4%、11.4%。

③ 家用燃氣灶實測熱效率隨摻氫比增大而降低。當摻氫比小于等于20%時，家用燃氣灶實測熱效率雖然隨摻氫比的增大保持下降趨勢，但幅度很小。當摻氫比大于20%后，家用燃氣灶實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數(shù)隨摻氫比增大而減小，氮氧化物的體積分數(shù)變化不明顯。

⑤ 家用燃氣灶燃用摻氫天然氣時，摻氫比宜低于30%。