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摘要：在理论分析与模拟计算的基础上，提出掺氢家用燃气灶燃烧器设计参数优化建议。以掺氢20%的甲烷为基准气设计制造了两组燃烧器并进行对照燃烧实验，对适应较好的燃烧器深入研究其性能随掺氢比变化的规律。对于家用燃气灶燃烧器，额定工况下，当掺氢比满足稳定燃烧的需要时，引起的热负荷下降不会超过6.1%。以掺氢比20%的掺氢天然气为基准气设计大气式燃烧器，一次空气系数0.58，额定热负荷4.8 kW，额定压力2 kPa。灶前燃气压力1.5~3.0 kPa工况下，火孔直径2 mm、火孔间距7 mm的燃烧器能满足掺氢比为0~30%的掺氢天然气稳定燃烧及避免黄焰的要求。灶前压力2 kPa条件下，火孔直径2 mm、火孔间距7 mm的燃烧器随掺氢比增大，热效率逐渐增大。干烟气中CO体积分数在掺氢比10%时达到峰值，随后逐渐降低。在掺氢比10%时，干烟气中NOx体积分数明显上升，随后上升趋势变得缓慢。
关键词：掺氢天然气；燃烧器；燃气灶
全球能源低碳转型背景下，各国对氢能利用的研究愈加重视［1］。利用既有天然气管道，通过注入低比例氢气进行混合输运，是低成本且有效的办法［2］。高压富氢环境下，钢质天然气管道易发生氢脆，从而造成不可逆的损坏。当前，各国天然气掺氢长输示范项目中的掺氢体积分数一般以20%为上限［3］。低压管道及附件受氢脆影响较小，未来氢能进入终端应用，20%以内的掺氢比将是管道天然气输配发展的一个重要过渡阶段［4］。
崔德春等人［5］基于不同方面的国家标准要求，研究了掺氢天然气作燃料的掺氢比与互换性要求。Sun等人［6］基于天然气与掺氢天然气互换性理论和燃烧性能试验，表明掺氢比小于23%时家用燃气灶和燃气热水器可以正常使用，且短期内对设备的影响很小［7］。马向阳等人［8］通过对不同掺氢比的掺氢天然气进行燃烧实验，得出掺氢后燃气灶热效率有所提高。罗子萱等人［9］研究了掺氢天然气对家用灶具安全性和烟气排放的影响，指出掺氢比不应超过20%，掺氢后烟气中氮氧化物和一氧化碳排放降低。冯帅明等人［10］的Fluent数值模拟和实验表明，天然气掺氢后燃烧器一次空气系数增大，提高了燃烧效率。朱宏丹等人［11］研究表明家用燃气灶实测热效率随掺氢比增大而降低，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。以上可见，由于各研究者的测试条件等不同，关于天然气掺氢燃烧后热效率和烟气排放规律的结论不尽相同。当前，关于天然气掺氢后，民用燃烧器设计的适应与优化相关的研究也较少。
本文在理论分析与仿真模拟的基础上，以掺氢比20%的甲烷为基准气设计制造了两组燃烧器，按照GB 16410—2020《家用燃气灶具》的实验方法开展对照燃烧实验，对适应较好的一组燃烧器深入研究了其性能随掺氢比变化的规律，探讨掺氢燃烧器的合理结构和运行参数，为民用掺氢天然气燃烧器的设计提供参考。
在标准状况101.325 kPa、0 ℃下，氢气的最大火焰传播速度为2.8 m/s，甲烷的最大火焰传播速度为0.38 m/s。天然气掺氢后燃烧速度增大，离焰、黄焰等指数发生变化，通过燃烧势变化有助于判断燃烧火焰的稳定性。设掺氢比（体积分数）为φ，根据燃烧势计算公式，掺氢天然气的燃烧势CP随掺氢比变化如下［12］861：
甲烷和氢气的燃烧势分别为40.3和379.3，掺氢天然气的燃烧势随掺氢比变化见图1。
根据GB/T 13611—2018《城镇燃气分类和基本特性》及欧洲标准BS EN437：2021《测试气体-测试压力-家电类》（Test gases-Test pressures-Appliance categories），掺氢天然气的回火界限气组成为77%CH4+23%H2，其燃烧势为69.3。为行文简洁，混合气采用此种表达方式，77%、23%分别为混合气中CH4、H2的体积分数。
由喷嘴流量方程可知，通过燃气喷嘴的体积流量与燃气密度有关，见式（2）［12］889。随燃气掺氢比增大，燃气密度减小，在灶前压力不变的前提下，天然气掺氢后的体积流量有所增大。考虑到温度改变会导致燃气密度发生变化，使用相对密度d代替燃气密度ρ可以反映燃气随环境温度的同步变化。低华白数通过相对密度的变化反映掺氢量对燃烧热负荷的影响，见式（3）［12］860。
在101.325 kPa、15 ℃状态下，甲烷和氢气的低热值分别为34 037 kJ/m3和10 232 kJ/m3；相对密度分别为0.554 8和0.069 5。不同掺氢比燃气的低华白数计算式为［12］860：
掺氢天然气的低华白数随掺氢比变化见图1。掺氢比为85.6%时曲线斜率为0，此时掺氢天然气的低华白数最小。掺氢比小于85.6%时，低华白数随掺氢比增大而降低，燃气灶热负荷逐渐降低。GB 16410—2020要求实测折算热负荷与额定热负荷相差不超过±10%。经计算掺氢比为37.5%对应热负荷变化的下限。作为回火界限的掺氢比（23%）下，掺氢天然气的华白数为42.9 MJ/m3，相比不掺氢热负荷下降6.1%。
可见，考虑掺氢比上限时，对燃烧稳定性的要求要远高于对热负荷下降的担心。当掺氢比能满足稳定燃烧的需要时，引起的热负荷下降不会超过6.1%。
使用燃烧动力学模拟软件包CHEMKIN计算火孔内层流燃烧速度。掺氢比为0、10%、20%、23%和30%时火孔内层流燃烧速度见图2，随掺氢比和一次空气系数增大，层流燃烧速度逐渐增大。
民用燃具的一次空气系数通常取0.60~0.65［12］879。100%CH4一次空气系数取0.60时，其层流燃烧速度为11.3 cm/s。77%CH4+23%H2达到相同层流燃烧速度所需的一次空气系数为0.575。100% CH4一次空气系数取0.65时，其层流燃烧速度为15.6 cm/s，所对应77%CH4+23%H2的一次空气系数为0.620。
本文以20%掺氢比的掺氢天然气为基准气设计大气式燃烧器。根据第2.3节得到的结果，一次空气系数在0.575~0.620范围内选取较为合适，本文取0.58。燃烧器热负荷定为4.8 kW，额定压力为2 kPa。计算得到掺氢天然气的理论空气量为8.10 m3/m3。一次空气系数随掺氢比变化的关系式为：
由式（5）可得，当掺氢比30%的掺氢天然气在设计燃烧器上燃烧时，实际一次空气系数为0.63；纯甲烷在该燃烧器上燃烧时，实际一次空气系数为0.49。
一般大气式天然气燃烧器的火孔直径在3 mm左右，火孔间距取2~3倍火孔直径［12］881。天然气掺氢后火焰传播速度增大，需要更高的火孔出口流速和更小的火孔尺寸以防止回火；同时，掺氢火焰扩散率增大［13］，相邻小火焰间隙缩小甚至合并，不利于二次空气供应。兼顾火孔尺寸过小易发生堵塞，不利于燃气灶的使用，火孔间距过大会对火焰传递造成影响等实际情况，设计并制造了结构相似，火孔直径分别为2.5 mm和2.0 mm（条缝火孔取等效直径）的两组燃烧器A和B，火孔间距均取7 mm，燃烧器A和B的设计图和实物图见图3。
实验用管道天然气各组分体积分数分别为：甲烷93.70%，乙烷2.36%，氮气1.81%，其他2.13%。掺氢天然气分别为：10%氢气+90%甲烷，20%氢气+80%甲烷，30%氢气+70%甲烷。测试方法依照GB 16410—2020要求，选用直径340 mm的标准锅作为实验用锅。
实验系统流程图见图4，瓶装掺氢天然气为已预先配制好的不同掺氢比实验用气，与管道天然气分别进行实验。掺氢天然气经高-中压、中-低压一体减压阀降压后经过调压阀进入湿式流量计，管道天然气进入调压阀后进入湿式流量计，然后到达实验灶具。通过调节调压阀并观察三通上的U形压力计调整灶前压力至实验要求压力。主要设备和仪表的性能参数见表1。
掺氢比20%、不同灶前压力燃烧器A的火焰状态见图5。如图5b所示，在掺氢比20%、灶前压力2 kPa工况下，燃烧器A（火孔间距为2.8倍火孔直径），火焰相互靠近合并连成一片，黄焰出现频率较高，有少部分火孔出现脱火现象，但数量占比符合标准规定。掺氢比20%、不同灶前压力燃烧器B的火焰状态见图6。如图6b所示，在掺氢比20%、灶前压力2 kPa工况下，燃烧器B（火孔间距为3.5倍火孔直径）火焰清晰独立未出现交连现象，黄焰出现频率较低，无脱回火现象。压力降至1.5 kPa时，燃烧器A出现熄火爆鸣，有回火风险；燃烧器B未出现熄火爆鸣现象。灶前压力达到3 kPa时，燃烧器A脱火现象更加严重；燃烧器B未出现脱火现象。实验结果表明，燃烧器B能满足掺氢比0~30%的掺氢天然气稳定燃烧及避免黄焰的要求，且设计参数掺氢比20%的掺氢天然气一次空气系数取0.58合理。
在掺氢比20%、灶前压力2 kPa工况下，两组燃烧器的污染物排放量和热效率见表2。理论空气系数为1时干烟气CO体积分数、NOx体积分数分别用符号φ（CO，αth=1）、φ（NOx，αth=1）表示。火孔较大或火孔间距较小时，二次空气补充不足，干烟气中CO体积分数较高，燃烧不够充分，导致火焰温度较低，生成的NOx较少，同时燃烧不充分也影响了热效率。
燃烧器适应掺氢比变化的能力十分重要。以燃烧器B为对象，灶前压力2 kPa下，实验测试管道天然气及掺氢比分别为10%、20%、30%的掺氢天然气的热效率，以及干烟气中CO和NOx体积分数。不同掺氢比下热效率见图7。按照测试要求，同一条件下做2次及以上热效率实验，直到连续两次热效率的差在1%以下时停止实验，取两次的平均值为实测热效率。如图7所示，随掺氢比增大，燃烧器B的实测热效率逐渐提高，至掺氢比到20%以后上涨趋缓。氢气火焰温度较高，加快了化学反应速率，提升火焰传播速度并增强烟气与锅底的对流传热，提高了热效率。另外，实验中观察到在锅的外壁上部区域出现冷凝小液滴，说明烟气中的部分冷凝热也得到了利用，提高了热效率。经观察，在灶前压力1.5、2、3 kPa的工况下，使用各组成实验用气测试，燃烧器B均未出现脱回火、黄焰等现象。
对不同掺氢比下干烟气中CO体积分数、NOx体积分数进行测试，每组进行5次实验。不同掺氢比下干烟气中CO体积分数、NOx体积分数修正箱线图见图8、9。由于掺氢后各火孔火焰间隙变小，影响到二次空气供给，干烟气中CO体积分数在掺氢比10%时最大；随掺氢比增大，所需二次空气量降低，且燃气中碳含量降低，干烟气中CO体积分数逐渐降低。随掺氢比增大，火焰温度升高，更易生成热力型NOx。掺氢比10%时，干烟气中NOx体积分数明显上升，随后上升趋势变得缓慢。
GB 16410—2020规定家用燃气灶理论空气系数为1时干烟气中CO体积分数低于0.05%，NOx体积分数低于0.015%，热效率大于等于55%。本文设计的燃烧器B，其测试结果均优于标准限值。
① 对于家用燃气灶燃烧器，额定工况下，当掺氢比满足稳定燃烧的需要时，引起的热负荷下降不会超过6.1%。
② 以掺氢比20%的掺氢天然气为基准气设计大气式燃烧器，一次空气系数0.58，额定热负荷4.8 kW，额定压力2 kPa。灶前燃气压力1.5~3.0 kPa工况下，火孔直径2 mm、火孔间距7 mm的燃烧器能满足掺氢比为0~30%的掺氢天然气稳定燃烧及避免黄焰的要求。
③ 灶前压力2 kPa条件下，火孔直径2 mm、火孔间距7 mm的燃烧器随掺氢比增大，热效率逐渐增大。干烟气中CO体积分数在掺氢比10%时达到峰值，随后逐渐降低。在掺氢比10%时，干烟气中NOx体积分数明显上升，随后上升趋势变得缓慢。
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