有效降低碳排放 實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)
——天然氣摻氫可行性實(shí)驗(yàn)研究

孟德奇

研究數(shù)據(jù)表明，溫室效應(yīng)會(huì)造成全球氣候變暖、海平面上升、極端天氣頻發(fā)等，嚴(yán)重威脅到了人類(lèi)的生產(chǎn)與生活。作為溫室效應(yīng)的元兇，二氧化碳卻與我們?nèi)祟?lèi)的生活及工業(yè)活動(dòng)密切相關(guān)。因此一段時(shí)間以來(lái)，為追求經(jīng)濟(jì)上的繁榮，人們并未足夠重視二氧化碳的排放問(wèn)題，導(dǎo)致近些年的自然災(zāi)害更加頻繁。近年，碳排放問(wèn)題已得到世界主要國(guó)家的重視，我國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人也在各個(gè)場(chǎng)合向世界作出承諾：2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。

為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，需逐年提高可再生能源發(fā)電在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的比重，并同步減少化石能源的消耗?，F(xiàn)階段，可再生能源發(fā)電依然存在波動(dòng)性大、棄電嚴(yán)重等問(wèn)題，而電解水制氫是最有效的電能存儲(chǔ)方案之一。且由于氫氣本身不含碳，因此作為能源載體具有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，故而備受關(guān)注。無(wú)論是氫燃料電池還是天然氣摻氫，都進(jìn)行了大量的理論及實(shí)驗(yàn)研究，并有了小范圍的工程示范基礎(chǔ)。在民用燃?xì)夥矫?，?dāng)高摻氫比或者純氫還達(dá)不到條件時(shí)，目前的共識(shí)是僅在天然氣中摻入不超過(guò)20%的氫氣，作為未來(lái)過(guò)渡時(shí)期的氣源供民眾使用。

本文首先從理論上分析了在現(xiàn)行燃?xì)饩哳I(lǐng)域使用富氫燃?xì)獾目尚行裕又陨献畛Ｒ?jiàn)的16L強(qiáng)抽燃?xì)鉄崴鳛槔?，?duì)富氫天然氣（甲烷）的燃燒進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。

燃燒速度指數(shù)上升明顯：天然氣摻氫可行性的理論依據(jù)及分析

甲烷及氫氣的物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

由表可知，氫氣的質(zhì)量熱值雖高，由于密度低，其體積熱值僅為甲烷的1/3。與甲烷相比，氫氣更易燃燒，且燃燒（爆炸）范圍極廣。無(wú)論是熱擴(kuò)散系數(shù)還是質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，氫氣都遠(yuǎn)超甲烷，可以認(rèn)為氫氣燃燒更容易發(fā)生回火。

CH/H混合氣的華白數(shù)及燃燒速度指數(shù)隨摻氫比例的變化見(jiàn)圖1。

一般燃?xì)饩叩呢?fù)荷與華白數(shù)成正比，因此燃?xì)饩叩呢?fù)荷隨著摻氫比例的增大而降低，且下降較為明顯。燃燒速度指數(shù)是燃?xì)馊紵俣鹊谋碚鳎梢钥闯?，燃?xì)鈸綒浜?，燃燒速度指?shù)上升明顯，回火風(fēng)險(xiǎn)增大。

表1：CH4/H2的基本物理性質(zhì)

圖1：CH4/H2混合氣的華白數(shù)及燃燒速度指數(shù)

借用Chemkin軟件可以直接計(jì)算CH/H混合氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣燃敖^熱燃燒溫度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

可以直接使用GRI.3.0反應(yīng)機(jī)理計(jì)算純甲烷燃燒和混合氣燃燒，但根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)描述，該反應(yīng)機(jī)理用于混合氣燃燒誤差偏大，因此本文里使用Andrew E.Lutz提供的反應(yīng)機(jī)理來(lái)計(jì)算混合氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约敖^熱燃燒溫度，使用系統(tǒng)自帶的H-Air燃燒機(jī)理來(lái)計(jì)算純氫的燃燒。

圖中可很直接看到，CH的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?0cm/s（化學(xué)當(dāng)量比為1時(shí)），而H的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣雀哌_(dá)2.5m/s以上。摻氫后火焰?zhèn)鞑ニ俣忍嵘?，且隨著摻氫比例增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸手笖?shù)倍增長(zhǎng)。摻氫后的絕熱燃燒溫度增高，在高化學(xué)當(dāng)量比（低過(guò)量空氣系數(shù)）下，溫度升高尤其明顯。

一般的燃?xì)鉄崴鞑捎貌糠诸A(yù)混結(jié)構(gòu)，一次空氣系數(shù)一般在0.4～0.8（化學(xué)當(dāng)量比1.2～2.5）之間，正好處于圖中高化學(xué)當(dāng)量比區(qū)域，摻氫后燃?xì)獾某跏既紵齾^(qū)域溫度升高會(huì)比較明顯。因此，對(duì)燃燒器的頭部設(shè)計(jì)應(yīng)該格外注意，一旦發(fā)生回火，燃燒器的可靠性必然下降。

圖2：CH4/H2混合氣層流火焰?zhèn)鞑ニ俣燃敖^熱燃燒溫度

圖3：以甲烷為基準(zhǔn)氣，不同摻氫比例下的離焰、回火及黃焰互換指數(shù)

圖3展示了各類(lèi)互換指數(shù)隨摻氫比例的變化規(guī)律。根據(jù)建議，置換氣的離焰互換指數(shù)應(yīng)低于1，黃焰互換指數(shù)應(yīng)當(dāng)高于1。因此，對(duì)于摻氫燃?xì)?，其離焰及黃焰問(wèn)題與甲烷相比反而能得到極大改善，不需特別留意。而為了保證不回火，置換氣的回火互換指數(shù)應(yīng)低于1.18，即摻氫比例理應(yīng)控制在25%以?xún)?nèi)。

根據(jù)以上的理論分析，雖然摻氫后燃?xì)獾娜紵俣茸兛欤鼗饍A向增大，但摻氫后的黃焰及離焰狀況得到根本性改善?，F(xiàn)階段世界各國(guó)的共識(shí)是，在未來(lái)很長(zhǎng)一段過(guò)渡期內(nèi)，天然氣摻氫比例不會(huì)超過(guò)20%，根據(jù)這一比例，現(xiàn)有燃?xì)饩卟淮嬖诨鼗痫L(fēng)險(xiǎn)。

天然氣摻氫【燃燒性能】的實(shí)驗(yàn)研究

在正式實(shí)驗(yàn)前，本文對(duì)不同壓力以及靜置半個(gè)月以上的摻氫混合氣進(jìn)行取樣并進(jìn)行氣象色譜分析。

分析結(jié)果表明，混合氣的氫含量始終保持不變。相關(guān)文獻(xiàn)也表明H2與CH4混合并不會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，這主要源于H2較高的質(zhì)量擴(kuò)散速率。因此，在有限的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)當(dāng)是可信的。

在一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上布置了多個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，用以測(cè)量不同摻氫比例下的燃燒室溫度分布，溫度測(cè)點(diǎn)示意圖及溫度分布數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。溫度測(cè)點(diǎn)布置在同一豎直面上靠近火排中心的位置，共8個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別距火排出口10mm、27mm、62mm、77mm、92mm、112mm、127mm及160mm。

圖中所示溫度均為垂直圖4所示面上燃燒室內(nèi)的最高溫度，通過(guò)多次測(cè)量獲得。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻氫后，高溫區(qū)域明顯前移，且火排出口附近溫度上升，這是由氫氣燃燒速度更快且燃燒溫度更高造成。因此，對(duì)于高摻氫比（或純氫）燃?xì)鉄崴?，可以考慮縮短燃燒室的高度，從而減小熱水器的整體體積。

不同摻氫比例下最大熱負(fù)荷燃?xì)饬髁考白畲螅ㄗ钚。嶝?fù)荷的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖5及圖6。

圖4：溫度測(cè)點(diǎn)示意及燃燒室縱向溫度分布

燃?xì)饬髁颗c相對(duì)密度的平方根成反比，氫氣的相對(duì)密度低，摻氫后其流量必然會(huì)增大。最大熱負(fù)荷與華白數(shù)成正比，其變化曲線(xiàn)與前文理論計(jì)算相吻合。

圖5：最大熱負(fù)荷時(shí)的燃?xì)饬髁考柏?fù)荷隨摻氫比例的變化

測(cè)量不同摻氫比例下的極限最小負(fù)荷及相應(yīng)二次壓，其結(jié)果見(jiàn)圖6。

其中，極限負(fù)荷定義為在剛好不熄火時(shí)的熱負(fù)荷。由于該熱水器為三段式燃燒，故對(duì)每一段分別進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在20%以?xún)?nèi)摻氫比例下，從最大負(fù)荷降到極限負(fù)荷都未發(fā)現(xiàn)回火現(xiàn)象，熄火總是先于回火發(fā)生。

由圖可知，使用的火排數(shù)越多，單個(gè)火排承受的極限負(fù)荷越低，即七個(gè)火排全開(kāi)時(shí)每個(gè)火排的極限負(fù)荷最小。測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，極限二次壓基本上與摻氫比例無(wú)關(guān)，只與啟用的火排數(shù)有關(guān)。摻氫比例增大時(shí)，極限情況下燃?xì)怏w積流量雖然略有增加，但仍無(wú)法彌補(bǔ)由于體積熱值降低而導(dǎo)致的負(fù)荷下降。熱水器實(shí)際運(yùn)行時(shí)啟用七個(gè)火排、四個(gè)火排及兩個(gè)火排時(shí)的二次壓分別為75 Pa、190 Pa及210 Pa，遠(yuǎn)高于不同摻氫比例下的極限二次壓，因此在20%以?xún)?nèi)摻氫條件下，該燃?xì)鉄崴鳚M(mǎn)足在固定調(diào)節(jié)范圍內(nèi)穩(wěn)定燃燒的要求且不會(huì)發(fā)生回火。

圖6：不同摻氫比例時(shí)的極限熱負(fù)荷及相應(yīng)的二次壓

不同摻氫比例下額定熱負(fù)荷的熱效率變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

圖7：不同摻氫比例下的熱效率（最大熱負(fù)荷）變化曲線(xiàn)

由圖可知，隨著摻氫比例的提高，熱效率略有提升，但幅度不大。這是因?yàn)椋L(fēng)機(jī)的風(fēng)量基本變化不大，整體的排煙量及排煙溫度均變化不明顯，排煙熱損失依然高居不下?？v使摻氫后能提高燃燒溫度，增強(qiáng)換熱效率，但依然無(wú)法有效解決排煙熱損失。

圖8展示了不同摻氫比例下的火焰燃燒圖片，由左至右依次為2kPa最大負(fù)荷、2kPa最小負(fù)荷及1kPa最小負(fù)荷，由上至下?lián)綒浔壤来螢?%，20%及35%。

由圖可知，在最大負(fù)荷下，即使摻氫比例達(dá)到35%，火焰依然明顯，并不會(huì)發(fā)生回火現(xiàn)象，且隨著摻氫比例的增大，黃焰越來(lái)越少，燃燒室內(nèi)越來(lái)越清晰。而在最小負(fù)荷正常壓力（2kPa）下，摻氫比例的提高會(huì)明顯縮短火焰長(zhǎng)度，尤其是在火排出口的右端，火焰更易貼近火排端面。在20%的摻氫比例下，火焰最短處依然明顯高出火排出口端面，回火風(fēng)險(xiǎn)??；而在35%的摻氫比例下，火焰最短處已貼近火排端面，可能造成該處壁面溫度過(guò)高而可靠性下降。

圖8：不同摻氫比例下的火焰燃燒圖片

天然氣摻氫【排放性能】的實(shí)驗(yàn)研究

圖9展示了煙管出口處的O濃度及折算CO濃度隨摻氫比例的變化曲線(xiàn)。由圖可知，隨著摻氫比例的增大，出口處的氧濃度提高，這是由總的風(fēng)量不變但H2的需氧量下降造成的。而隨著摻氫比例的升高，CO濃度顯著下降，摻氫比例達(dá)到20%時(shí)，CO濃度下降約60%。

圖9：煙管出口處的O2濃度及折算CO濃度

針對(duì)不同摻氫比例的二氧化碳降低量進(jìn)行了計(jì)算，其結(jié)果見(jiàn)圖10。該二氧化碳降低比例是基于相同負(fù)荷下（30 kW），與純甲烷燃燒的二氧化碳排放量相比而得。隨著摻氫比例提高，二氧化碳下降速度越來(lái)越快；在摻氫20%時(shí)，二氧化碳下降約7%。因此，天然氣摻氫是可有效降低碳排放，實(shí)現(xiàn)國(guó)家碳減排目標(biāo)，且摻氫比例越高，其碳減排效果越顯著。

理論證實(shí)管道天然氣摻20%以?xún)?nèi)時(shí)現(xiàn)有燃?xì)饩呤褂玫目尚行灾螅?6 L強(qiáng)抽燃?xì)鉄崴鳛槔?，?shí)驗(yàn)研究天然氣摻氫20%燃?xì)鉄崴鞯母黜?xiàng)性能指標(biāo)，得出以下結(jié)論：

摻氫后，火焰長(zhǎng)度縮短，燃燒前置，主要燃燒區(qū)域縮?。?/p>

摻氫后，CO排放濃度大幅降低，二氧化碳同步下降；摻氫20%時(shí)，二氧化碳可降低7%；

圖10：不同摻氫比例下的二氧化碳降低百分比

理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明16L強(qiáng)抽燃?xì)鉄崴魍耆m用20%甚至35%的摻氫天然氣而不用擔(dān)心回火風(fēng)險(xiǎn)。