氢气比例对家用燃气灶燃烧产生CO 的影响

刘仁江 张灏 周华鑫 叶梓茂 唐人杰 潘瑶

（重庆市计量质量检测研究院，重庆 401123）

家用燃气灶是日常生活中常见的烹饪设备，但在使用过程中，燃烧产生的一氧化碳（CO）排放对人体健康和环境安全造成潜在威胁。因此，研究氢气比例对家用燃气灶燃烧产生CO的影响具有重要意义。近年来，氢能作为清洁能源的代表之一备受关注。将氢气与天然气混合作为燃料已被应用于许多领域，包括家用燃气灶。不同氢气比例对燃烧过程会产生不同的影响，特别是对CO 的生成具有显著影响[1]。然而，目前对于氢气比例对CO 排放的具体影响了解仍然有限。本研究旨在系统研究氢气比例对家用燃气灶燃烧产生CO 的影响，并探讨其中的机理。通过调整氢气比例，可以模拟不同的燃烧条件，从而评估CO 排放的变化趋势。研究结果将为家用燃气灶的设计和使用提供指导，以减少CO 排放的可能性。通过深入了解氢气比例对CO 排放的影响机理，可以更好地优化家用燃气灶的设计和使用，以提高燃烧效率和减少对环境和人体健康的潜在威胁。

1 家用燃气灶燃烧产生CO 的危害

近年来，家用燃气灶一氧化碳事故时有发生，给人们的生命和财产安全带来了严重威胁。这些事故往往是由于燃气灶使用不当或存在故障引起的。例如，有人因为在闭门环境下使用燃气灶，并长时间没有通风，导致一氧化碳积聚到危险浓度，最终中毒甚至死亡。

CO 是一种无色、无味、无刺激性的有毒气体，极易在密闭空间中积聚。当人们使用燃气灶进行烹饪时，如果燃烧不完全，会产生大量CO。长时间暴露于高浓度的CO 环境中，会引发一系列健康问题，包括头痛、恶心、呕吐、乏力等轻微症状，严重时甚至导致窒息和死亡。因此，了解家用燃气灶燃烧产生CO 的情况，保持燃气灶的良好状况有着重要的意义。

2 燃气灶结构及燃烧机理

燃气灶是一种使用燃气作为燃料的厨房设备，它通过燃气管道将燃气输送到火炬上方的燃烧器中。燃气灶主要由燃烧器、喷嘴、阀门和控制器等组成，结构模型如图1 所示。当燃气进入燃烧器时，通过喷嘴的作用，燃气被雾化成微小的颗粒，并与空气混合。然后，燃气与空气混合物在燃烧器内被引燃，产生火焰。火焰的形成是由燃烧反应引起的，主要包括氧化和热解两个过程。在氧化过程中，燃气中的碳氢化合物与空气中的氧气发生反应，产生二氧化碳和水蒸气等氧化产物[2]。在热解过程中，高温下，部分燃气分子会发生断裂，生成一些自由基和活性物质，这些物质继续与氧气发生反应，加速燃烧过程，燃烧过程关键反应方程式如表1 所示。燃气灶的控制器起着重要的作用，它能够监测和调节燃气灶的燃气输送速度和火焰大小。通过控制器，可以根据使用者的需求来调节火焰的大小，从而控制加热温度和火力。通过喷嘴将燃气雾化后与空气混合，在燃烧器内点火引燃，产生火焰的过程[3]。控制器起到了监测与调节燃气灶工作状态的作用，以满足用户的需求。

表1 反应方程式

图1 燃气灶结构模型

燃气灶的燃烧反应是一系列复杂的化学反应，它利用燃气与空气中的氧气发生氧化还原反应来释放能量。当燃气灶打开时，燃气和空气中的氧气进入到灶具的燃烧室内。在燃烧室内，燃气与氧气发生反应。首先，燃气分子（如甲烷，乙烷等）在高温下发生裂解，产生碳氢化合物的自由基。这些自由基随后与空气中的氧气分子发生反应，产生二氧化碳和水蒸气。其中，碳氢化合物自由基与氧气分子反应生成一氧化碳和水蒸气。接着，一氧化碳再与氧气进一步反应，生成二氧化碳。同时，水蒸气在高温下会逐渐冷却并凝结成水。整个燃烧过程伴随着大量的能量释放，因为这是一个放热反应。这些释放的能量会使燃烧室内温度升高，并传导到锅底，使食物迅速加热。需要注意的是，在燃气灶燃烧过程中，如果燃料供应不足或氧气供应过多，可能会产生不完全燃烧的现象。这时会生成一氧化碳等有害气体，对人体健康产生危害。

3 不同氢气比例下CO 生成物分析

氢气比例对CO 生成物的影响是显著的。当氢气比例较高时，CO 生成物的含量会相应减少。这是因为高氢气比例下，反应中的氧气被更充分地利用，从而减少了CO 的生成。另一方面，当氢气比例较低时，CO 生成物的含量会增加。这是因为低氢气比例下，反应中的氧气不能充分利用，导致更多的CO 生成[4]。因此，在不同氢气比例下进行CO 生成物的分析是非常重要的，可以帮助更好地理解氢气和CO 之间的关系，并优化反应条件以控制CO 的生成。

在含碳燃料不完全燃烧时，产生的CO 会对人体健康带来一定的影响。为了降低CO 的生成量，可以通过掺入不同氢气比例来调整燃烧过程，实验结果如图2、图3 所示。实验结果表明，当掺入5%氢气时，燃烧产生的CO 明显下降。进一步分析火孔出口处的数据发现，不同氢气比例下内侧火孔CO 摩尔分数分别为0.066 00、0.049 90、0.064 00、0.064 50。这一结果与氢气反应产生的生成物以及燃烧过程中的反应温度密切相关。

图2 氢气比例对火孔出口CO 分布的影响

图3 氢气比例对燃烧区域CO 分布的影响

此外，氢气比甲烷更容易发生反应且反应更剧烈，这提高了甲烷反应时的温度，促进了甲烷的完全燃烧过程，从而有效减少了CO 的生成。在Fluent 计算整体燃烧区域的生成物分布时，结果显示燃烧区域总体CO 摩尔分数从0.061 00 降至0.055 10、0.056 10、0.056 08。这表明在掺氢体积分数为5%时，CO 摩尔分数下降最多。然而，此时也伴随着燃烧温度的大幅降低。而在掺氢体积分数为15%时，既减少了CO 的生成，又保持了一定的燃烧温度。

通过掺入不同氢气比例可以有效降低含碳燃料不完全燃烧产生的CO。然而，在选择掺氢体积分数时需要权衡CO 的生成量和燃烧温度的变化，以兼顾环境友好和燃烧效率。此研究结果对于优化燃烧过程、减少CO 排放以及改善人体健康具有重要意义。

4 结束语

本研究旨在探讨氢气比例对家用燃气灶燃烧产生CO 的影响。通过调整氢气比例，发现不同比例下CO 排放量存在显著差异。随着氢气比例的增加，CO 排放量呈现出逐渐减少的趋势。这是因为氢气具有更高的燃烧效率，同时也会促进燃烧反应中的氧化作用，从而减少CO 生成的可能性。然而，需要注意的是，在某些过高的氢气比例下，也可能导致燃烧不稳定、爆炸等安全问题。因此，在使用氢气混合燃料时，需要平衡燃烧效率和安全性之间的考虑，并根据实际需求选择合适的氢气比例。研究发现相比于纯甲烷，掺氢的优势在工况中表现明显。加入氢气后，混合燃料的热值会下降，并且燃烧温度呈现先下降后上升的趋势。随着掺氢体积分数的增加，CO 摩尔分数逐渐减少。当掺入15%氢气时，不仅减少了CO 摩尔分数，还保持了适宜的燃烧温度。这对于提高家用燃气灶的环保性能非常有利。本研究的结果对家用燃气灶的设计和使用具有重要意义。通过优化氢气比例，可以提高燃烧效率，减少CO 排放，降低对环境和人体健康的潜在威胁。此外，本研究结果还为促进清洁能源在家庭生活中的应用提供了科学依据。然而，需要指出的是本研究还存在一些限制。尽管对氢气比例的影响进行了初步的实验探索，但考虑到每个地区的能源供应和实际情况的差异，进一步的研究还需要更多的样本和实验数据来验证和完善现有结果。综上所述，本研究通过研究氢气比例对家用燃气灶燃烧产生CO 的影响，为优化燃烧效率、减少CO 污染、促进清洁能源应用提供了科学依据。希望这些研究成果能够为改善家庭烹饪环境、保护环境健康做出贡献。