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掺氢燃气对燃气灶性能的影响
胡业龙1，许倩1，方智聪2，黄小美2
（1.佛山市质量计量监督检测中心 国家燃气用具产品质量检验检测中心（佛山），广东 佛山 528225； 2.重庆大学 土木工程学院， 重庆 400045）
摘要：探究了掺氢天然气对直火灶、旋火灶、红外灶热工性能的影响。当掺氢比例从0增加到25%时，3种燃气灶的实测热负荷随着掺氢比例增加而减小，但仍能满足国家标准对于燃气灶热负荷偏差的要求。直火灶、旋火灶和红外灶的热效率相比于掺氢比例为0的情况，最大变化量分别为0.81%、1.25%和1.36%，可以看作基本保持不变。当掺氢比例从0增加到25%时，直火灶燃烧器的表面温升为62 ℃，旋火灶燃烧器的表面温升为127 ℃，红外灶陶瓷面板表面温升为41 ℃。当掺氢比例从0增加到25%时，直火灶烟气中CO体积分数降低94.1%，旋火灶烟气中CO体积分数降低58.7%，红外灶烟气中CO体积分数降低93.1%。3种燃气灶烟气中CO排放量随着掺氢比例增加大幅度减小，NOx排放量基本保持不变。
关键词：掺氢天然气；燃气灶；热负荷；热效率；烟气排放特性
参考文献示例：
胡业龙，许倩，方智聪，等. 掺氢燃气对燃气灶性能的影响［J］. 煤气与热力，2025，45（1）：B01-B05，B21.
随着各国对于环境问题的日益重视，可再生能源占能源消费的比例逐渐上升。但是可再生能源存在生产不稳定的缺点，导致一些区域出现了大量弃电的现象。通过电解水制得绿氢并加以利用，是消纳多余电能的有效方法。掺氢燃气的利用是从天然气过渡到氢能的必要过程，可显著降低碳排放。掺氢燃气对家用燃具热工性能的影响是研究的热点之一。
马向阳等人［1］通过改变灶前压力为1 500 Pa、2 000 Pa、3 000 Pa时，掺氢比例（燃气中氢气的体积分数）最大设定为20%，得出随着掺氢比例增加，热负荷下降，热效率增加，烟气中CO、NOx体积分数减小。Sun等人［2］经过试验测得在保证不回火的情况下，最大掺氢比例为23%，随着掺氢比例增加，燃气热水器和燃气灶的热效率逐渐增加，热负荷减小。陈豪杰等人［3-4］测得大部分燃具在掺氢比例为20%~30%时，会产生燃烧不稳定现象，随掺氢比例增加，烟气中CO排放量下降，但大部分燃具烟气中NOx排放量没有很大变化［3-4］。严荣松等人［5］通过对燃气灶、家用燃气快速热水器、燃气供暖炉进行掺氢燃烧试验，得出掺氢比例不大于20%的情况下燃具能效方面的表现，但由于掺氢天然气的华白数和热值均低于12T天然气，燃具热工性能会产生偏移。冯帅明等人［6］通过数值模拟的方法，探究了一次空气系数和二次空气流速对于家用燃烧器燃烧工况的影响，得出随着一次空气系数增大，燃烧温度会快速升高，同时烟气中NO体积分数呈现出先增大后减小的趋势。罗子萱等人［7］对掺氢比例为20%的燃气，通过理论与试验相结合的方法，测得燃气华白数较12T天然气下降了5.3%，点火成功率和火焰稳定性合格。
由于燃具的种类和研究人员所处的国家、地区不同，最大掺氢比例有所不同。Zhao等人［8-10］对燃气灶和烤炉进行测试，测得不发生回火情况下，掺氢比例极限可分别达20%和25%，随着掺氢比例增大，火焰温度逐渐升高，烟气中NOx体积分数无较大变化，烟气中CO体积分数下降。烤炉试验得到，当掺氢比例为10%时，燃烧器表面温度提高了63%，掺氢比例进一步增大后对燃烧器表面温度无较大的影响。De Vries等人［11-12］通过使用3种组成不同的燃气，根据火焰传播速度的变化，评估了燃具能够适应的最大掺氢比例，验证了不同的燃气组成会影响最大掺氢比例。
本文对大气式直火灶（以下简称直火灶）、大气式旋火灶（以下简称旋火灶）和完全预混红外灶（以下简称红外灶），3种常见的燃具开展掺氢燃气燃烧的试验研究。
参考GB 16410—2020《家用燃气灶具》第6章的方法搭建试验平台，开展燃气灶燃烧试验。GB/T 13611—2018《城镇燃气分类和基本特性》规定12T天然气回火界限气中的H2体积分数为23%，考虑到燃气的华白数和燃烧势，试验设定的掺氢比例上限为25%。试验气为甲烷与氢气的混合气，掺氢比例分别为0、5%、10%、15%、20%、25%。燃气灶为直火灶、旋火灶、红外灶。本文试验所用的燃气灶的燃气类别为12 T。燃气灶额定热负荷见表1，试验系统见图1。
为了测试燃气灶达到稳定工作状态下的热工参数，所有参数均在点火预热15 min后进行测量。烟气分析仪用于烟气组成分析。湿式气体流量计测定燃气流量，记录湿式气体流量计指针走1圈以上的整圈数，且测定时间不少于1 min，重复测试2次以上，当测量相对误差小于2%时，取2次流量的平均值，计算燃气的实测热负荷。依据GB 16410—2020第6.8.2条表18选取上限锅尺寸、下限锅尺寸、加热水量进行热效率试验，用水银温度计测量锅内水温，每个工况重复测试2次热效率。
依据GB 16410—2020第6.7节，燃气灶的实测热负荷计算式为：
依据GB 16410—2020第6.14节，燃气灶的上限锅热效率和下限锅热效率的计算式为：
依据GB 16410—2020第6.14节，热效率计算见下式：
燃气灶在各工况下均以2 000 Pa的额定压力运行，掺氢比例对燃气灶实测热负荷的影响见图2。当掺氢比例从0增加到25%时，直火灶的实测热负荷由4.01 kW降到3.74 kW，降低了6.7%；旋火灶的实测热负荷由4.00 kW降到3.71 kW，降低了7.3%；红外灶的实测热负荷从3.26 kW降到3.01 kW，降低了7.7%。3种燃气灶的实测热负荷随着掺氢比例增加而减小，但仍能满足国家标准对于燃气灶热负荷偏差的要求。
当试验室环境处于稳定状态且灶前压力保持不变时，实测热负荷可以表示为一个仅和低华白数呈正相关的函数。天然气掺入氢气之后，混合气体的热值降低，密度减小。随着掺氢比例从0增加到25%，掺氢燃气的低华白数单调递减，从而导致实测热负荷降低。
掺氢比例对燃气灶热效率的影响见图3。当掺氢比例从0增加到25%时，直火灶的热效率由65.17%上升到65.98%，旋火灶的热效率由65.02%上升到66.25%，随着掺氢比例进一步加大，热效率下降至66.19%。红外灶的热效率随着掺氢比例的增加表现为先增后减的趋势，掺氢比例为0时热效率为75.31%，当掺氢比例为15%时热效率为76.66%，随着掺氢比例进一步增加，热效率降低到75.30%。直火灶、旋火灶、红外灶的热效率相比于掺氢比例为0的情况，最大变化量分别为0.81%、1.25%和1.36%，可以看作基本保持不变。
热效率受燃气雷诺数、一次空气系数、反应基团浓度以及火焰高度等因素影响。由于氢气的运动黏度远大于甲烷的运动黏度，随着掺氢比例增加，燃气雷诺数逐渐减少，这导致火焰反应区的长度减小，从而有更大的空间使燃气充分燃烧，同时未完全燃烧产物与二次空气混合程度会增加，保证了燃烧时氧气的供应，有利于燃烧反应的进行［13］。大气式燃烧器的一次空气系数与华白数成反比，随着掺氢比例提升，一次空气系数增大，促使燃烧反应更加完全［2］。而羟基原子团OH、氧原子O、氢原子H等基团随氢气体积分数增加，加剧了燃烧化学反应［14］。火焰高度的降低减少了火焰与低温锅底的碰撞，冷壁效应对燃烧的影响减小。但另一方面，随着掺氢比例提升，燃烧产生的烟气量减少，不利于高温烟气与锅体间的对流换热，降低了换热效果。所以，在多重因素的影响下，燃气灶的热效率随着掺氢比例的增加变化幅度非常小，可以看作基本保持不变。
火焰稳定性是评估燃气灶性能的重要因素之一。掺氢比例对直火灶火焰的影响见图4，掺氢比例对旋火灶火焰的影响见图5。随着掺氢比例增加，火焰高度降低。这是因为氢气的加入使得火焰传播速度增大，内焰高度降低，同时一次空气系数增大，掺氢燃气的预混程度提升，燃烧所需的二次空气量减少，外焰面随之减小。掺氢比例增加到25%时，3种燃气灶仍然能保持稳定地运行，未发生回火现象。
采用热成像仪测量燃烧器表面温度。热成像仪是通过接收燃烧器固体表面发射的红外辐射来测量其表面温度。试验时，试验人员手持热成像仪与燃烧器的测量角度保持在垂直方向45°以内，调整热成像仪与燃烧器的距离，保证整个燃烧器表面都在热成像范围内。红外灶测量了陶瓷面板表面温度，直火灶和旋火灶均测量燃烧器表面温度。保持燃烧器处于稳定工作状态下，掺氢比例对燃烧器表面温度的影响见表2。
当掺氢比例从0增加到25%时，直火灶燃烧器表面温升为62 ℃，增加了20%。旋火灶燃烧器表面温升为127 ℃，增加了34.3%。红外灶陶瓷面板表面温升为41 ℃，增加了4.8%。燃烧器表面温度与火焰高度和火焰温度相关。随掺氢比例提高，羟基原子团OH、氧原子O、氢原子H等基团的体积分数增加，使燃烧反应更加剧烈，燃烧温度升高，导致燃烧器表面温度上升。
掺氢比例对烟气中CO体积分数的影响见图6。掺氢比例从0增加到25%时，直火灶烟气中CO体积分数从238×10-6降低至14×10-6，降低94.1%。旋火灶烟气中CO体积分数从155×10-6降低至64×10-6，降低58.7%。红外灶烟气中CO体积分数从29×10-6降低至2×10-6，降低93.1%。这是由于随着掺氢比例增加，羟基原子团OH增加，燃烧化学反应更加剧烈，有利于CO反应生成CO2。同时一次空气系数增大，燃烧更加完全，烟气中CO排放量大大降低。
掺氢比例对烟气中NOx体积分数的影响见图7。直火灶和旋火灶烟气中NOx体积分数在24×10-6~30×10-6范围内，红外灶烟气中NOx体积分数平均值小于5×10-6。烟气中NOx包括NO和NO2，NO体积占比约为95%，而NO2仅占5%。对于在空气中燃烧的一般碳氢燃料而言，NO主要生成路径为热力型和快速型［15］。掺氢比例增大后，火焰温度上升，促进了热力型NO的生成。快速型路径中NO的生成速率主要受到氰化氢HCN生成速率的限制，而氰化氢HCN是由碳氢化合物CxHy和N2化合而成。掺氢比例增大后，理论空气量减少，一次空气系数增加，碳氢化合物CxHy的体积分数下降，这限制了快速型NO的生成。综合作用的结果是，掺氢后NOx的排放量基本保持不变。
① 当掺氢比例从0增加到25%时，3种燃气灶的实测热负荷随着掺氢比例增加而减小，但仍能满足国家标准对于燃气灶热负荷偏差的要求。直火灶、旋火灶和红外灶的热效率相比于掺氢比例为0的情况，最大变化量分别为0.81%、1.25%和1.36%，可以看作基本保持不变。
② 当掺氢比例从0增加到25%时，直火灶燃烧器的表面温升为62 ℃，旋火灶燃烧器的表面温升为127 ℃，红外灶陶瓷面板表面温升为41 ℃。
③ 当掺氢比例从0增加到25%时，直火灶烟气中CO体积分数降低94.1%，旋火灶烟气中CO体积分数降低58.7%，红外灶烟气中CO体积分数降低93.1%。3种燃气灶烟气中CO排放量随着掺氢比例增加大幅度减小，烟气中NOx排放量基本保持不变。
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