有效降低碳排放 实现碳减排目标——天然气掺氢可行性实验研究

孟德奇

研究数据表明，温室效应会造成全球气候变暖、海平面上升、极端天气频发等，严重威胁到了人类的生产与生活。作为温室效应的元凶，二氧化碳却与我们人类的生活及工业活动密切相关。因此一段时间以来，为追求经济上的繁荣，人们并未足够重视二氧化碳的排放问题，导致近些年的自然灾害更加频繁。近年，碳排放问题已得到世界主要国家的重视，我国领导人也在各个场合向世界作出承诺：2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和。

为实现碳中和目标，需逐年提高可再生能源发电在我国能源结构中的比重，并同步减少化石能源的消耗。现阶段，可再生能源发电依然存在波动性大、弃电严重等问题，而电解水制氢是最有效的电能存储方案之一。且由于氢气本身不含碳，因此作为能源载体具有其独到的优势，故而备受关注。无论是氢燃料电池还是天然气掺氢，都进行了大量的理论及实验研究，并有了小范围的工程示范基础。在民用燃气方面，当高掺氢比或者纯氢还达不到条件时，目前的共识是仅在天然气中掺入不超过20%的氢气，作为未来过渡时期的气源供民众使用。

本文首先从理论上分析了在现行燃气具领域使用富氢燃气的可行性，接着以上最常见的16L强抽燃气热水器为例，对富氢天然气（甲烷）的燃烧进行了系统的实验研究。

燃烧速度指数上升明显：天然气掺氢可行性的理论依据及分析

甲烷及氢气的物理性质见表1。

由表可知，氢气的质量热值虽高，由于密度低，其体积热值仅为甲烷的1/3。与甲烷相比，氢气更易燃烧，且燃烧（爆炸）范围极广。无论是热扩散系数还是质量扩散系数，氢气都远超甲烷，可以认为氢气燃烧更容易发生回火。

CH/H混合气的华白数及燃烧速度指数随掺氢比例的变化见图1。

一般燃气具的负荷与华白数成正比，因此燃气具的负荷随着掺氢比例的增大而降低，且下降较为明显。燃烧速度指数是燃气燃烧速度的表征，可以看出，燃气掺氢后，燃烧速度指数上升明显，回火风险增大。

表1：CH4/H2的基本物理性质

图1：CH4/H2混合气的华白数及燃烧速度指数

借用Chemkin软件可以直接计算CH/H混合气的层流火焰传播速度及绝热燃烧温度，计算结果见图2。

可以直接使用GRI.3.0反应机理计算纯甲烷燃烧和混合气燃烧，但根据相关文献描述，该反应机理用于混合气燃烧误差偏大，因此本文里使用Andrew E.Lutz提供的反应机理来计算混合气的层流火焰传播速度以及绝热燃烧温度，使用系统自带的H-Air燃烧机理来计算纯氢的燃烧。

图中可很直接看到，CH的层流火焰传播速度为40cm/s（化学当量比为1时），而H的层流火焰传播速度高达2.5m/s以上。掺氢后火焰传播速度提升，且随着掺氢比例增大，火焰传播速度呈指数倍增长。掺氢后的绝热燃烧温度增高，在高化学当量比（低过量空气系数）下，温度升高尤其明显。

一般的燃气热水器采用部分预混结构，一次空气系数一般在0.4～0.8（化学当量比1.2～2.5）之间，正好处于图中高化学当量比区域，掺氢后燃气的初始燃烧区域温度升高会比较明显。因此，对燃烧器的头部设计应该格外注意，一旦发生回火，燃烧器的可靠性必然下降。

图2：CH4/H2混合气层流火焰传播速度及绝热燃烧温度

图3：以甲烷为基准气，不同掺氢比例下的离焰、回火及黄焰互换指数

图3展示了各类互换指数随掺氢比例的变化规律。根据建议，置换气的离焰互换指数应低于1，黄焰互换指数应当高于1。因此，对于掺氢燃气，其离焰及黄焰问题与甲烷相比反而能得到极大改善，不需特别留意。而为了保证不回火，置换气的回火互换指数应低于1.18，即掺氢比例理应控制在25%以内。

根据以上的理论分析，虽然掺氢后燃气的燃烧速度变快，回火倾向增大，但掺氢后的黄焰及离焰状况得到根本性改善。现阶段世界各国的共识是，在未来很长一段过渡期内，天然气掺氢比例不会超过20%，根据这一比例，现有燃气具不存在回火风险。

天然气掺氢【燃烧性能】的实验研究

在正式实验前，本文对不同压力以及静置半个月以上的掺氢混合气进行取样并进行气象色谱分析。

分析结果表明，混合气的氢含量始终保持不变。相关文献也表明H2与CH4混合并不会出现分层现象，这主要源于H2较高的质量扩散速率。因此，在有限的时间范围内进行实验所获得的实验结果应当是可信的。

在一台实验样机上布置了多个温度测点，用以测量不同掺氢比例下的燃烧室温度分布，温度测点示意图及温度分布数据见图4。温度测点布置在同一竖直面上靠近火排中心的位置，共8个测点，分别距火排出口10mm、27mm、62mm、77mm、92mm、112mm、127mm及160mm。

图中所示温度均为垂直图4所示面上燃烧室内的最高温度，通过多次测量获得。

实验结果表明，掺氢后，高温区域明显前移，且火排出口附近温度上升，这是由氢气燃烧速度更快且燃烧温度更高造成。因此，对于高掺氢比（或纯氢）燃气热水器，可以考虑缩短燃烧室的高度，从而减小热水器的整体体积。

不同掺氢比例下最大热负荷燃气流量及最大（最小）热负荷的变化曲线见图5及图6。

图4：温度测点示意及燃烧室纵向温度分布

燃气流量与相对密度的平方根成反比，氢气的相对密度低，掺氢后其流量必然会增大。最大热负荷与华白数成正比，其变化曲线与前文理论计算相吻合。

图5：最大热负荷时的燃气流量及负荷随掺氢比例的变化

测量不同掺氢比例下的极限最小负荷及相应二次压，其结果见图6。

其中，极限负荷定义为在刚好不熄火时的热负荷。由于该热水器为三段式燃烧，故对每一段分别进行了测量。测试过程中发现，在20%以内掺氢比例下，从最大负荷降到极限负荷都未发现回火现象，熄火总是先于回火发生。

由图可知，使用的火排数越多，单个火排承受的极限负荷越低，即七个火排全开时每个火排的极限负荷最小。测试过程中发现，极限二次压基本上与掺氢比例无关，只与启用的火排数有关。掺氢比例增大时，极限情况下燃气体积流量虽然略有增加，但仍无法弥补由于体积热值降低而导致的负荷下降。热水器实际运行时启用七个火排、四个火排及两个火排时的二次压分别为75 Pa、190 Pa及210 Pa，远高于不同掺氢比例下的极限二次压，因此在20%以内掺氢条件下，该燃气热水器满足在固定调节范围内稳定燃烧的要求且不会发生回火。

图6：不同掺氢比例时的极限热负荷及相应的二次压

不同掺氢比例下额定热负荷的热效率变化曲线见图7。

图7：不同掺氢比例下的热效率（最大热负荷）变化曲线

由图可知，随着掺氢比例的提高，热效率略有提升，但幅度不大。这是因为，风机的风量基本变化不大，整体的排烟量及排烟温度均变化不明显，排烟热损失依然高居不下。纵使掺氢后能提高燃烧温度，增强换热效率，但依然无法有效解决排烟热损失。

图8展示了不同掺氢比例下的火焰燃烧图片，由左至右依次为2kPa最大负荷、2kPa最小负荷及1kPa最小负荷，由上至下掺氢比例依次为0%，20%及35%。

由图可知，在最大负荷下，即使掺氢比例达到35%，火焰依然明显，并不会发生回火现象，且随着掺氢比例的增大，黄焰越来越少，燃烧室内越来越清晰。而在最小负荷正常压力（2kPa）下，掺氢比例的提高会明显缩短火焰长度，尤其是在火排出口的右端，火焰更易贴近火排端面。在20%的掺氢比例下，火焰最短处依然明显高出火排出口端面，回火风险小；而在35%的掺氢比例下，火焰最短处已贴近火排端面，可能造成该处壁面温度过高而可靠性下降。

图8：不同掺氢比例下的火焰燃烧图片

天然气掺氢【排放性能】的实验研究

图9展示了烟管出口处的O浓度及折算CO浓度随掺氢比例的变化曲线。由图可知，随着掺氢比例的增大，出口处的氧浓度提高，这是由总的风量不变但H2的需氧量下降造成的。而随着掺氢比例的升高，CO浓度显著下降，掺氢比例达到20%时，CO浓度下降约60%。

图9：烟管出口处的O2浓度及折算CO浓度

针对不同掺氢比例的二氧化碳降低量进行了计算，其结果见图10。该二氧化碳降低比例是基于相同负荷下（30 kW），与纯甲烷燃烧的二氧化碳排放量相比而得。随着掺氢比例提高，二氧化碳下降速度越来越快；在掺氢20%时，二氧化碳下降约7%。因此，天然气掺氢是可有效降低碳排放，实现国家碳减排目标，且掺氢比例越高，其碳减排效果越显著。

理论证实管道天然气掺20%以内时现有燃气具使用的可行性之后，以16 L强抽燃气热水器为例，实验研究天然气掺氢20%燃气热水器的各项性能指标，得出以下结论：

掺氢后，火焰长度缩短，燃烧前置，主要燃烧区域缩小；

掺氢后，CO排放浓度大幅降低，二氧化碳同步下降；掺氢20%时，二氧化碳可降低7%；

图10：不同掺氢比例下的二氧化碳降低百分比

理论计算及实验结果均表明16L强抽燃气热水器完全适用20%甚至35%的掺氢天然气而不用担心回火风险。