摻氫天然氣在燃?xì)忮仩t和灶具中的回火風(fēng)險分析1)

王天天 張 海 ,? 張 揚(yáng) ,?,2) 周 托 岳光溪

*(清華大學(xué)能源與動力工程系熱科學(xué)與動力工程教育部重點(diǎn)實驗室，北京100084)

?(二氧化碳資源利用與減排技術(shù)北京市重點(diǎn)實驗室，北京 100084)

在“雙碳”目標(biāo)下，氫能的發(fā)展與應(yīng)用成為近年來的研究熱點(diǎn)[1]。純氫的利用受到生產(chǎn)、儲存和終端使用的制約，成本較高。將氫氣摻混到已有的天然氣管網(wǎng)中，形成“摻氫天然氣”，再通過管網(wǎng)輸送[2]至終端用戶燃燒利用，是大規(guī)模低成本利用氫能的潛在途徑之一[3]。因此，摻氫天然氣在燃?xì)饨K端設(shè)備中的燃燒特性受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[4-7]。

天然氣成分較為復(fù)雜，但主要成分是甲烷（>90%）[8]，由于甲烷和氫氣的物理性質(zhì)存在差異，因此，摻氫天然氣的燃料特性隨著氫氣摻混比例的變化而變化。氫氣的加入提高了燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣萚9-11]，降低了燃料的最小點(diǎn)火能量[12]，同時也拓寬了燃料的貧燃極限[13]。摻氫燃料面臨的主要問題之一在于易于發(fā)生回火，造成安全事故。燃?xì)饨K端設(shè)備中，供暖鍋爐和灶具通常安裝于住宅、辦公樓等民用場所，其安全問題受到格外關(guān)注。因此，掌握摻氫天然氣在鍋爐和灶具中的回火特性，對于判斷摻氫天然氣使用安全具有重要意義。

目前，一些學(xué)者已經(jīng)關(guān)注到摻氫天然氣應(yīng)用于灶具中的回火問題。Zhao等[14-16]研究了摻氫天然氣在不同形式灶具上的回火特性，發(fā)現(xiàn)在已經(jīng)穩(wěn)定燃燒的灶具中（穩(wěn)態(tài)）逐漸增加氫氣，不發(fā)生回火的最大摻氫比可達(dá)50%以上，但是如果在點(diǎn)火前燃料中已經(jīng)摻混氫氣，則在點(diǎn)火的“瞬態(tài)”過程中不發(fā)生回火的最大摻氫比降為25%。Choudhury等[17]通過實驗研究了摻氫天然氣對家用燃?xì)鉄崴鞯挠绊?，結(jié)果表明在低于10%的摻氫比下，燃燒器可以保證燃燒穩(wěn)定性。Jones等[18]通過分析摻氫天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣入S摻氫比的變化規(guī)律，提出在燃料中氫氣的摩爾百分比不高于30%時，摻氫天然氣在實際燃燒器中的回火風(fēng)險不會顯著增加。

鍋爐和灶具的運(yùn)行工況存在差異，因此摻氫天然氣應(yīng)用于鍋爐時，其回火特性也與應(yīng)用于灶具時不盡相同。為了控制氮氧化物生成，中小型供暖燃?xì)忮仩t常采用預(yù)混燃燒的方式。Schiro等[19]指出，為了保證摻氫天然氣鍋爐的安全可靠運(yùn)行，必須避免回火現(xiàn)象。增加未燃側(cè)的出口流速有助于避免回火現(xiàn)象的發(fā)生[20]。de Vries等[21]通過本生燈方法測量了在回火極限下對應(yīng)的摻氫天然氣的最大摻氫比，并討論了不同摻氫比下燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣葘鼗鹛匦缘挠绊?。Colorado等[22]通過在貧燃預(yù)混燃燒的表面燃燒器進(jìn)行實驗，獲得了不同組分的摻氫天然氣在定熱流密度下的回火和吹熄特性。

根據(jù)上述文獻(xiàn)調(diào)研可知，國內(nèi)外已有的相關(guān)研究，雖然已經(jīng)獲得了大量摻氫天然氣預(yù)混燃燒回火基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且積累了少量灶具、鍋爐等設(shè)備上的回火實驗數(shù)據(jù)，但仍存在如下的局限性：

首先，文獻(xiàn)中已有的關(guān)于回火的研究，尚未細(xì)致分析燃燒設(shè)備入口條件的差異。由于甲烷和氫氣物理化學(xué)性質(zhì)差異顯著，天然氣摻氫后會帶來密度、熱值等參數(shù)的顯著變化，這使得摻氫天然氣燃燒設(shè)備的燃料和空氣入口條件（流速、當(dāng)量比等）發(fā)生變化（詳見第2節(jié)所述），導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣仍趯嶋H設(shè)備中的變化規(guī)律較為復(fù)雜，進(jìn)而影響到回火現(xiàn)象。而已有文獻(xiàn)缺乏對該問題的關(guān)注，導(dǎo)致不同文獻(xiàn)中得到的回火極限數(shù)據(jù)并不一致，缺少通用性的結(jié)論。

第二，缺乏設(shè)備回火風(fēng)險的表征方法。針對摻氫天然氣在鍋爐和灶具上的回火特性，學(xué)者們或是采用實驗方法獲得保證用戶側(cè)安全穩(wěn)定運(yùn)行、不發(fā)生回火的最大摻氫比例；或是通過簡單分析摻氫天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?，來判斷發(fā)生回火的可能性。已有的研究缺乏天然氣摻氫后設(shè)備回火風(fēng)險的表征方法，難以根據(jù)已有結(jié)論快速判斷燃料發(fā)生變化的回火風(fēng)險。

第三，對于已有文獻(xiàn)[14]中發(fā)現(xiàn)的灶具中“穩(wěn)態(tài)”和“瞬態(tài)”回火摻氫比的差異，已有文獻(xiàn)無法給出合理的解釋。

針對上述問題，本文首先討論了摻氫天然氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊然疚锢砘瘜W(xué)性質(zhì)，并校核了本文采用的數(shù)值模型的合理性；其次，針對預(yù)混燃燒的燃?xì)忮仩t和灶具，厘清燃料成分變化引發(fā)的運(yùn)行參數(shù)（如燃料流量、空氣流量、當(dāng)量比等）的變化規(guī)律；最后，通過將摻氫天然氣的基本火焰特性與設(shè)備入口參數(shù)相結(jié)合，提出了摻氫天然氣燃燒設(shè)備回火風(fēng)險的表征方法，并使用實驗數(shù)據(jù)對表征方法進(jìn)行了驗證，揭示了灶具中“穩(wěn)態(tài)”和“瞬態(tài)”回火摻氫比差異的原因。

1 摻氫天然氣基礎(chǔ)物理化學(xué)性質(zhì)

天然氣的主要成分是CH4，因此本文的理論計算中采用CH4來代替天然氣。甲烷和氫氣的基本物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示。根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴罚℅B/T 13611?2018）[23]，華白數(shù)（Wobbe index，W）和燃燒勢（CP）是作為燃?xì)饣Q性判定的評價指標(biāo)。華白數(shù)的計算公式為

表1 甲烷和氫氣的基本物性參數(shù)Table 1 Basic characteristics of methane and hydrogen

式中，W表示華白數(shù)，MJ/m3；HHVfuel表示燃料體積高位熱值，MJ/m3；ρfuel和ρa(bǔ)ir分別表示燃料和空氣密度，kg/m3。

燃燒勢的計算公式為

式中，k表示燃料中氧氣含量的修正系數(shù)；XH2,XCmHn,XCO,XCH4,XO2分別表示燃料中氫氣、碳?xì)浠衔铮ǔ淄椋?、一氧化碳、甲烷和氧氣的體積分?jǐn)?shù)，%。

在摻氫天然氣中，燃料的體積高位熱值、體積低位熱值、華白數(shù)和燃燒勢隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的變化情況如圖1(a)和(b)所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加，摻氫天然氣的體積熱值線性下降，華白數(shù)先下降后上升，燃燒勢則一直增加。以甲烷作為基準(zhǔn)燃料，一般要求摻氫后燃?xì)馊A白數(shù)的變化范圍是45.76 ～ 54.78 MJ/m3，燃燒勢的變化范圍是36.3 ～ 69.3[23-24]。在此范圍內(nèi)，華白數(shù)降低至45.76 MJ/m3對應(yīng)的氫氣體積分?jǐn)?shù)約為0.4，燃燒勢升高至69.3對應(yīng)的氫氣體積分?jǐn)?shù)約為0.2?？紤]到對燃?xì)忮仩t來說，華白數(shù)是更重要的評價指標(biāo)，且根據(jù)已有文獻(xiàn)中的結(jié)論，若將燃?xì)忮仩t運(yùn)行條件下的摻氫比限制到0.2，可能會錯失一些有意義的結(jié)果。因此綜合考慮后，本文所研究的摻氫天然氣的氫氣體積分?jǐn)?shù)在0 ～ 0.4范圍內(nèi)。

圖1 摻氫天然氣Fig. 1 Hydrogen-enriched natural gas ( HENG )

此外，考慮摻氫天然氣在不同終端用戶上的回火特性，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L是需要重點(diǎn)關(guān)注的燃料燃燒特性。本文通過Premix代碼[25]耦合Chemkin Ⅱ程序包[26]和TRANSPORT程序包[27]，選取FFCM-1化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理[28]計算摻氫天然氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，同時與文獻(xiàn)[9-11]中的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。計算得到的摻氫天然氣在氫氣體積分?jǐn)?shù)XH2為0～0.4下的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L隨著當(dāng)量比Φ的變化情況如圖2所示。從圖中可以看出，在氫氣體積分?jǐn)?shù)為0和0.4時，與文獻(xiàn)[10]的實驗結(jié)果吻合較好；在氫氣體積分?jǐn)?shù)為0.2時，與文獻(xiàn)[11]的實驗結(jié)果吻合較好。整體上，模擬的結(jié)果能夠反映摻氫天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比和摻氫比的變化規(guī)律，后面的章節(jié)將基于數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行討論。

圖2 摻氫天然氣層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比的變化Fig. 2 Variation of laminar flame speed of hydrogen-enriched natural gas as a function of equivalence ratio

2 摻氫天然氣燃燒設(shè)備運(yùn)行參數(shù)變化規(guī)律

正如引言中所述，由于甲烷和氫氣物理化學(xué)性質(zhì)差異顯著，摻氫天然氣燃燒設(shè)備的燃料和空氣入口條件（流量、當(dāng)量比等）將隨摻氫比發(fā)生變化，而這種入口條件的變化與燃燒性質(zhì)相互耦合，進(jìn)而顯著地影響回火規(guī)律。因此，在探討回火特性之前，首先要根據(jù)預(yù)混燃燒的燃?xì)忮仩t和灶具的工作條件，理清因摻氫比變化而引發(fā)的入口條件的變化規(guī)律。

2.1 燃?xì)忮仩t

通常情況下，燃?xì)忮仩t處于貧燃狀態(tài)，即Φ<1。常見的預(yù)混燃燒的燃?xì)忮仩t進(jìn)風(fēng)方式為強(qiáng)制送風(fēng)式，即通過風(fēng)機(jī)向鍋爐送入助燃空氣?？諝饬髁客ㄟ^調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率或閥門開度來控制。

在運(yùn)行過程中，燃?xì)夤艿拦┙o的壓力通常維持不變，燃料流量通過調(diào)節(jié)燃?xì)忾y門開度（即調(diào)節(jié)壓差）來控制。在燃?xì)忮仩t的使用過程中，常常存在兩種操作場景，其操作參數(shù)的變化規(guī)律計算方法如下。

場景#1

當(dāng)摻氫天然氣中XH2變化時，鍋爐操作不做任何調(diào)整，燃料管道閥門開度、風(fēng)機(jī)頻率或閥門開度均保持不變，即供氣壓差保持不變。在這種場景下，空氣流量Vair保持不變。但是，摻氫比變化導(dǎo)致燃料密度發(fā)生變化，其計算為

式中，ρCH4和ρH2分別表示CH4和H2的密度，kg/m3，其具體數(shù)值見表1。

則摻氫天然氣的流量計算公式為

式中，vfuel表示燃料流速，m/s；ΔPfuel表示燃料管道壓差，Pa；κ表示閥門最小流動截面和管道主截面的面積比。通常情況下，κ的值較?。?0.2），因此可認(rèn)為，當(dāng)獲得vfuel，由于摻前后管道截面無變化，可認(rèn)為燃料流量Vfuel∝vfuel。

預(yù)混氣體的當(dāng)量比和總流量可分別根據(jù)式（6）和式（7）計算得到。

本文將以CH4為燃料的工況運(yùn)行參數(shù)作為基準(zhǔn)，把鍋爐進(jìn)口燃料體積流量、空氣體積流量、預(yù)混氣體總流量和當(dāng)量比隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)XH2的變化進(jìn)行歸一化處理，按照式（8）計算。其結(jié)果如圖3(a)所示。

圖3 氫氣體積分?jǐn)?shù)對鍋爐操作參數(shù)的影響Fig. 3 Variation of operating parameters in boilers as a function of hydrogen volumetric fraction

式中，Z可指代燃料流量Vfuel，空氣流量Vair，總流量Vtotal和當(dāng)量比Φ。Z′表示歸一化之后的運(yùn)行參數(shù)，ZHENG和ZCH4分別表示摻氫天然氣燃燒時的運(yùn)行參數(shù)和甲烷燃燒時的運(yùn)行參數(shù)。

以燃?xì)忮仩t典型工況（Φ= 0.9）為例，本文重點(diǎn)關(guān)注摻氫天然氣的氫氣體積分?jǐn)?shù)為0 ～0.4范圍內(nèi)，當(dāng)燃料中氫氣體積分?jǐn)?shù)從0變化到0.4時，在保證管道供氣壓差不變時，由于燃料密度減小，進(jìn)口流量增加，空氣流量保持不變，預(yù)混燃料的當(dāng)量比降低，進(jìn)口總流量增加2.1%。在不改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)的情況下，鍋爐入爐預(yù)混氣體的流速與進(jìn)口總流量成正比。也就是說，當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)從0增加到0.4時，入爐預(yù)混氣體流速增加了2.1%。

場景#2

實際鍋爐運(yùn)行中，由于用戶常常對熱負(fù)荷有相應(yīng)的要求，當(dāng)摻氫天然氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化時，需要保證鍋爐燃燒熱負(fù)荷不變。在這種場景下，燃料的體積熱值會發(fā)生變化，其計算公式為

假定燃料完全燃燒，保證鍋爐負(fù)荷不變的條件下，燃料流量也會發(fā)生變化，其計算公式為

式中，Q表示鍋爐燃燒熱負(fù)荷，MW。

此時燃料流量的變化是用戶根據(jù)熱負(fù)荷需求主動采取的調(diào)節(jié)，即主動改變了燃料閥門開度和風(fēng)機(jī)頻率或空氣閥門開度。此時，燃料管道的供氣壓差會發(fā)生變化，按照燃燒器預(yù)設(shè)的控制邏輯，燃料閥門開度和風(fēng)機(jī)頻率或空氣閥門開度應(yīng)按照初始當(dāng)量比設(shè)置一一對應(yīng)。因此，需要首先將摻氫天然氣的流量按照等閥門開度原則，等效為甲烷流量，再根據(jù)初始設(shè)定的當(dāng)量比，計算得到對應(yīng)的空氣流量。

摻氫天然氣體積流量可按照式（11）等效為甲烷體積流量。

在管道截面積不變的情況下，流速v和體積流量V是等價的。同時，進(jìn)入鍋爐的空氣體積流量可根據(jù)式（12）計算。

其中，Φini指原燃燒器控制邏輯中，以甲烷為燃料時的固定燃燒初始當(dāng)量比。

場景#2的燃燒當(dāng)量比和總流量可以把式（10）和式（12）的結(jié)果代入式（6）和式（7）中計算得到。同樣地，在場景#2中，把鍋爐進(jìn)口燃料體積流量、空氣體積流量、預(yù)混氣體總流量和當(dāng)量比進(jìn)行歸一化處理，場景#2的鍋爐進(jìn)口參數(shù)的變化情況如圖3(b)所示。

同樣地，以燃?xì)忮仩t典型工況（Φ= 0.9）為例，當(dāng)燃料的氫氣體積分?jǐn)?shù)從0變化到0.4時，在保證鍋爐負(fù)荷不變時，由于燃料體積熱值減小，進(jìn)口流量增加，空氣進(jìn)口流量隨XH2的增大而增加，總流量變化趨勢與空氣體積流量的變化趨勢相近，預(yù)混燃料的當(dāng)量比降低。在不改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)的情況下，當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)從0增加到0.4時，鍋爐入爐預(yù)混氣體流速增加了14.4%。

通過比較圖3(a)和(b)可知，場景#1和場景#2下預(yù)混燃料的當(dāng)量比隨氫氣體積分?jǐn)?shù)的變化是一致的，這是因為場景#1和場景#2中進(jìn)口燃料和空氣體積流量的變化都與管道供氣壓差密切相關(guān)。在場景#1中，空氣體積流量不變，燃料體積流量由于密度減小而增大，當(dāng)量比降低；在場景#2中，燃料體積流量由于體積熱值減小而增大，但在確定其對應(yīng)的空氣體積流量時，需將其視為在該工況下保證燃料管道供氣壓差不變，將摻氫天然氣替代為甲烷時所需的空氣體積流量。這種控制邏輯與場景#1類似，因此兩種場景下當(dāng)量比的變化趨勢相同。而兩種場景的不同點(diǎn)在于，場景#2中燃料和空氣的體積流量相較于場景#1中增長幅度更大，這樣才能維持鍋爐燃燒熱負(fù)荷不變。

2.2 燃?xì)庠罹?/h3>

家用燃?xì)庠罹咭话銥榇髿馐饺紵?，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。首先，燃料通過高速射流引射環(huán)境空氣，并在預(yù)混管中混合，形成預(yù)混氣體。這部分被燃料引射的空氣被稱為一次空氣，燃料與一次空氣混合后形成的預(yù)混氣體一般為富燃狀態(tài)，即Φ> 1。富燃的混合物在灶頭燃燒形成預(yù)混的一次火焰。一次火焰后未燃盡的燃料與周圍環(huán)境中的空氣形成擴(kuò)散燃燒的火焰。參與擴(kuò)散燃燒的空氣被稱為二次空氣。

圖4 燃?xì)庠罹呷紵鹘Y(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Structure diagram of gas stove burner

在常見的家用燃?xì)庠罹咧?，一般情況下燃料管道的供氣壓差保持不變。當(dāng)燃料由天然氣變成摻氫天然氣時，由于密度的變化，燃料的體積流量發(fā)生變化，由燃料射流所引射的一次空氣量也將隨之變化，使得預(yù)混氣體的當(dāng)量比發(fā)生改變。這種場景在本文中被記為場景#3，其基本的計算過程描述如下。

場景#3

燃?xì)饬髁孔兓挠嬎惴椒ㄅc上述鍋爐場景#1類似，式（2）～式（5）可遷移應(yīng)用。但灶具中引射的一次空氣流量需根據(jù)式（13）[29]計算得到。

式中，Rc表示引射一次空氣量與燃料量的體積比；Cl表示損失系數(shù)，本文中取0.2；At和Aj分別表示預(yù)混管的截面積和燃料射流出口的截面積，m2。

與鍋爐類似，此處也將以甲烷為燃料時的運(yùn)行參數(shù)作為基準(zhǔn)，將摻氫后灶具的進(jìn)口燃料體積流量、空氣體積流量、預(yù)混氣體總流量和當(dāng)量比進(jìn)行歸一化處理，這些歸一化參數(shù)隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的變化情況如圖5所示。

圖5 場景#3中氫氣體積分?jǐn)?shù)對灶具操作參數(shù)的影響Fig. 5 Variation of operating parameters in domestic appliances as a function of hydrogen volumetric fraction in Scenario #3

以燃?xì)庠罹叩湫凸r（預(yù)混氣體當(dāng)量比Φ=1.33）為例，當(dāng)XH2從0變化到0.4時，管道供氣壓差不變，燃料進(jìn)口體積流量由于密度減小而增加，其引射的空氣體積流量幾乎保持不變。此外，由于氫氣在化學(xué)計量比下燃燒所需的空氣量小于甲烷燃燒所需的空氣量，所以預(yù)混燃料的當(dāng)量比下降。馬向陽等[24]通過實驗手段研究了天然氣摻氫比在0 ～ 0.2范圍內(nèi)對家用燃?xì)庠钊紵匦缘挠绊?，研究結(jié)果表明在額定管道供氣壓差下，隨著摻氫比的增加，燃燒器的一次空氣系數(shù)逐漸增大，與本文結(jié)果一致。在不改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)的情況下，灶具未燃側(cè)氣體的流速與進(jìn)口總流量成正比，當(dāng)XH2從0增加到0.4時，未燃側(cè)氣體的出口流速增加了2.2%。

3 摻氫天然氣燃燒設(shè)備回火風(fēng)險的表征方法及驗證

3.1 預(yù)混燃燒燃?xì)忮仩t和灶具回火風(fēng)險的表征方法

實際生產(chǎn)中，需要快速評估燃料成分變化時設(shè)備回火風(fēng)險。結(jié)合本文第1、2節(jié)的結(jié)果，本節(jié)將給出摻氫天然氣燃燒設(shè)備回火風(fēng)險的表征方法。

對于燃?xì)忮仩t和燃?xì)庠罹邅碚f，燃料中XH2從0增加到0.4時，預(yù)混燃料的當(dāng)量比都逐漸降低，但是貧燃狀態(tài)和富燃狀態(tài)下對層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憛s有很大差別。考慮到實際應(yīng)用中的工況選擇，燃?xì)忮仩t選取初始當(dāng)量比Φini分別為0.9，0.8，0.7三個不同工況，燃?xì)庠罹哌x取初始當(dāng)量比Φini分別為1.33，1.43，1.54三個不同工況。燃料的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著摻氫比的變化如圖6(a)，(b)和(c)所示。需要注意的是，圖6中同時考慮了摻氫比變化時燃燒當(dāng)量比也隨之變化的情形，即使用圖3和圖5中摻氫比和當(dāng)量比的對應(yīng)規(guī)律。

對于燃?xì)忮仩t典型工況，根據(jù)前文研究可知，在保證管道供氣壓差不變（場景#1）和鍋爐燃燒熱負(fù)荷不變（場景#2）的情況下，當(dāng)量比Φ隨XH2的變化一致，因此在圖6中，場景#1和場景#2統(tǒng)稱為鍋爐場景，不做區(qū)分。在初始當(dāng)量比為0.9時（圖6(a)），當(dāng)使用純CH4時，預(yù)混氣體的SL值如圖中點(diǎn)A所示；當(dāng)XH2增加到0.4時，由圖3可知，其對應(yīng)當(dāng)量比Φ降低至純CH4時的0.87倍，對應(yīng)的SL變化到圖中點(diǎn)B處。由此可知，對該工況而言，當(dāng)XH2從0增加到0.4時，對應(yīng)的SL增加5.8%；而在Φini分別為0.8和0.7時，用類似的方法，得出SL反而出現(xiàn)了隨XH2的增加而下降的趨勢（分別下降了4.6%和14.6%）。由此可以看出，對于鍋爐而言，摻氫后預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L變化規(guī)律較為復(fù)雜，需要針對具體情況進(jìn)行分析。

對于燃?xì)庠罹邅碚f，與鍋爐場景類似，也同時考慮了摻氫比變化時燃燒當(dāng)量比也隨之變化的情形。在初始當(dāng)量比分別為1.33，1.43和1.54時，XH2從0增加到0.4，SL分別增加124.8%，211.1%和272.1%，如圖6所示。相比之下，未燃側(cè)氣體的出口流速增長幅度較?。▓D5）。因此可以預(yù)期，灶具在燃料摻氫后，由于摻氫比變化和當(dāng)量比變化的共同作用，在高摻氫比下的回火風(fēng)險顯著增加。

圖6 不同典型工況下氫氣體積分?jǐn)?shù)對鍋爐（ Φ ini = 0.9、0.8、0.7）和灶具（ Φ ini = 1.33、1.43、1.54）層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慒ig. 6 Variation of laminar flame speed as a function of hydrogen volumetric fraction under different typical cases in boilers ( Φ ini = 0.9/0.8/0.7) and domestic appliances ( Φ ini =1.33/1.43/1.54)

設(shè)備的回火與燃燒器出口氣流速度和當(dāng)?shù)鼗鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣葍蓚€因素密切相關(guān)，已有文獻(xiàn)[22,30]通過定義K=vtotal/SL作為設(shè)備燃燒穩(wěn)定性的判據(jù)。設(shè)備出口預(yù)混氣體氣流速度小于火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r，發(fā)生回火；而當(dāng)氣流速度過大，火焰無法穩(wěn)定在噴嘴出口時，可能發(fā)生吹熄。但設(shè)備中燃燒器的結(jié)構(gòu)和形式對K的具體數(shù)值影響較大，對于不同設(shè)備來說，其發(fā)生回火和吹熄對應(yīng)的K值可能存在較大差別[22,30]。為了對比不同設(shè)備發(fā)生回火和吹熄的趨勢，本文采用預(yù)混氣體未燃側(cè)流速vtotal和層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L兩個參數(shù)做歸一化處理，定義參數(shù)β來表征設(shè)備發(fā)生回火和吹熄的風(fēng)險，即

式中，vt0otal表示燃料中XH2= 0時（即甲烷）的未燃側(cè)流速，m/s；SL0表示燃料中XH2= 0時的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，cm/s。

使用β值可以判斷燃料變化后發(fā)生回火和吹熄的風(fēng)險。β = 1時，即為使用天然氣時的設(shè)計工況；β < 1代表了燃燒器噴嘴出口氣流速度的增大的幅度小于火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃蟮姆?，這表明發(fā)生回火的風(fēng)險增加，β值越小，發(fā)生回火的可能性越高；反之，β > 1代表了燃燒器噴嘴出口氣流速度的增大的幅度大于火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃蟮姆?，這表明發(fā)生吹熄的風(fēng)險增加，β值越大，發(fā)生吹熄的可能性越大。

需要注意的是，實際燃燒設(shè)備中，燃燒器噴嘴出口速度并非均勻分布，燃燒也并非總是處在層流狀態(tài)，因此vtotal和SL并非與實際燃燒過程中出口氣流速度和當(dāng)?shù)鼗鹧嫠俣认嗟?。但是，對于同一個設(shè)備而言，其燃燒器噴嘴出口的流動具有一定相似性，而vtotal和SL僅與燃料特性相關(guān)，因此β值的變化可以在工程上“半定量”地刻畫因燃料變化而引發(fā)的回火和吹熄發(fā)生的趨勢。

針對上述燃?xì)忮仩t和燃?xì)庠罹叩牡湫凸r，當(dāng)摻氫天然氣中XH2從0增加到0.4時，β的變化如圖7所示。

圖7 不同燃燒設(shè)備中未燃側(cè)流速與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葰w一化參數(shù)之比β隨氫氣體積分?jǐn)?shù)的變化Fig. 7 Variation of ratio between normalized flow rate and flame speed β as a function of hydrogen volumetric fraction in different combustion devices

對于燃?xì)忮仩t來說，在保證管道供氣壓差不變（場景#1）時，β在0.95 ～ 1.2范圍內(nèi)變化；在保證鍋爐負(fù)荷不變（場景#2）時，β在1 ～ 1.4范圍內(nèi)變化，這表明對于一般鍋爐工況而言，燃料摻氫比在0 ～ 0.4以內(nèi)時，發(fā)生回火的風(fēng)險較低，但要注意的是，對于場景#2，小當(dāng)量比（Φ=0.7）時存在一定的吹熄風(fēng)險（β值高達(dá)1.4）。

而對于燃?xì)庠罹邅碚f，在燃?xì)夤艿拦鈮翰畈蛔儯▓鼍?3）時，β的變化范圍是0.2～1，并且呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢。這說明燃?xì)庠罹叩娜剂蠐綒浜笪慈紓?cè)氣體流速增幅小于火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龇?。隨著XH2的增加，灶具發(fā)生回火的可能性增加，在高摻氫比工況下存在極大回火風(fēng)險。

3.2 預(yù)混燃燒燃?xì)忮仩t和灶具回火風(fēng)險的表征方法驗證

基于本文提出的使用β值表征回火風(fēng)險的方法，本節(jié)將文獻(xiàn)中已有的摻氫天然氣回火實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證。

針對燃?xì)忮仩t運(yùn)行工況，圖8展示了其回火風(fēng)險表征方法的實驗驗證。García-Armingol等[13]通過單管射流實驗臺研究了摻氫天然氣在貧燃預(yù)混狀態(tài)下氫氣體積分?jǐn)?shù)在0～0.5范圍內(nèi)的回火特性，通過實驗發(fā)現(xiàn)，該范圍內(nèi)無明顯回火現(xiàn)象，此時β > 0.6。de Vries等[21]通過本生燈實驗獲得摻氫天然氣在貧燃預(yù)混狀態(tài)下氫氣體積分?jǐn)?shù)在0～0.3范圍內(nèi)的回火特性，實驗表明在該摻氫比范圍內(nèi)無明顯回火現(xiàn)象，此時β > 0.8。Colorado等[22]通過陶瓷纖維表面燃燒實驗臺得到摻氫天然氣在恒定燃燒熱功率下受氫氣體積分?jǐn)?shù)和當(dāng)量比影響的回火特性，與本文中鍋爐場景#2對應(yīng)。從圖8中可以看出，β值隨摻氫比增加先增大后減小。隨著β值的增加，火焰有逐漸抬升的趨勢，吹熄風(fēng)險增加；而β值減小，火焰逐漸貼附于陶瓷纖維表面燃燒，回火風(fēng)險增加。實驗表明，在純氫工況下當(dāng)量比為0.57時發(fā)生回火現(xiàn)象，此時對應(yīng)的β值為0.58。而在本文重點(diǎn)關(guān)注的氫氣體積分?jǐn)?shù)為0～0.4范圍內(nèi)，根據(jù)實驗驗證的β值可判斷燃?xì)忮仩t無明顯回火風(fēng)險。

圖8 燃?xì)忮仩t回火風(fēng)險表征方法實驗驗證Fig. 8 Experimental verification of the flashback risk for gas-fired boilers

針對燃?xì)庠罹哌\(yùn)行工況，圖9展示了其回火風(fēng)險表征方法的實驗驗證。Zhao等[15]通過在灶頭燃燒器上進(jìn)行摻氫天然氣的回火實驗，在摻氫比為0.2時發(fā)生回火，此時對應(yīng)的β值約為0.57。此外，根據(jù)Jones等[18]在灶具上的回火實驗也可驗證，在摻氫比大于0.3時發(fā)生回火，此時對應(yīng)的β值約為0.54。以上實驗均與本文灶具場景#3對應(yīng)。在本文重點(diǎn)關(guān)注的氫氣體積分?jǐn)?shù)為0～0.4范圍內(nèi)，根據(jù)實驗驗證的β值可判斷，若β <0.6時，燃?xì)庠罹叩幕鼗痫L(fēng)險將顯著增加。

圖9 燃?xì)庠罹呋鼗痫L(fēng)險表征方法實驗驗證Fig. 9 Experimental verification of the flashback risk for gas-fired domestic appliances

通過對燃?xì)忮仩t和燃?xì)庠罹呋鼗痫L(fēng)險表征方法的實驗驗證可以發(fā)現(xiàn)，通過對β值的分析，可以解釋不同燃燒設(shè)備發(fā)生回火的摻氫比各不相同的原因。但需要注意的是，對于不同的燃燒設(shè)備，由于各自的設(shè)計運(yùn)行工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)各不相同，發(fā)生回火時對應(yīng)的β值也在一定范圍內(nèi)變化。

此外，引言中提到，Zhao等[14]發(fā)現(xiàn)在已經(jīng)穩(wěn)定燃燒的灶具中逐漸增加氫氣，不發(fā)生回火的最大摻氫比可達(dá)0.5以上，但是如果在點(diǎn)火前燃料中已經(jīng)摻混氫氣，則在點(diǎn)火的“瞬態(tài)”過程中不發(fā)生回火的最大摻氫比降為0.25。此時也可以從β值的角度來分析這種“穩(wěn)態(tài)”和“瞬態(tài)”回火摻氫比差異的原因。

灶具點(diǎn)火過程描述如下：初始時灶具燃燒器預(yù)混管內(nèi)充滿空氣，如圖10左上方小圖所示；燃料從射流入口進(jìn)入后，一方面引射空氣，另一方面將預(yù)混管內(nèi)的空氣通過灶頭排出燃燒器；同時，安裝在灶頭的火花塞嘗試點(diǎn)火。在這段極短時間內(nèi)，灶頭出口處的預(yù)混氣體當(dāng)量比逐漸增加，從0到貧燃，越過化學(xué)計量比，達(dá)到最終的富燃狀態(tài)。

圖10 燃?xì)庠罹咴邳c(diǎn)火狀態(tài)和穩(wěn)定燃燒狀態(tài)下氫氣體積分?jǐn)?shù)對層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慒ig. 10 Variation of laminar flame speed as a function of hydrogen volumetric fraction in the ignition state and steady combustion state of domestic appliances

此處以燃?xì)庠罹叩湫凸r（預(yù)混氣體當(dāng)量比Φ= 1.6）為例，其在點(diǎn)火狀態(tài)和穩(wěn)定燃燒狀態(tài)下XH2對SL的影響如圖10所示。以甲烷作為基準(zhǔn)工況，首先考慮天然氣在灶具中穩(wěn)定燃燒時逐漸增加燃料中XH2的情形。穩(wěn)定燃燒時灶頭出口預(yù)混氣體處于富燃狀態(tài)，當(dāng)燃料中XH2從0增加到0.5時，SL增加約433.6%（圖中綠色箭頭所示），vtotal增加3.4%，此時對應(yīng)的β值約為0.2，若此摻氫比為穩(wěn)定燃燒狀態(tài)下不發(fā)生回火的最大摻氫比，則可認(rèn)為，該灶具系統(tǒng)設(shè)計回火安全閾值為β = 0.2。在圖10中作出等β曲線，如曲線C-D所示，此即為回火臨界線，C-D曲線之上，將發(fā)生回火，反之，曲線之下不回火。

接下來討論點(diǎn)火前天然氣已經(jīng)摻氫時，灶具點(diǎn)火過程是否會發(fā)生回火的情形。由于點(diǎn)火過程燃料成分已經(jīng)確定，則點(diǎn)火過程中，灶頭出口預(yù)混氣體的SL將隨Φ的增加沿著圖10中等XH2曲線變化（圖中紅色箭頭所示）。在等XH2曲線上，Φ= 1.0～1.2時SL達(dá)到峰值，β值也達(dá)到最小值，此時發(fā)生回火的可能性最高。將不同的等XH2曲線與回火臨界線C-D做對比，若等XH2曲線完全處于曲線C-D之下，則表明點(diǎn)火過程所有時刻都不存在回火風(fēng)險；若等XH2曲線與曲線CD存在交點(diǎn)（等XH2曲線部分位于曲線C-D之上），即表明該XH2值在點(diǎn)火過程中存在回火風(fēng)險。從圖10中可以看出，等XH2曲線與曲線C-D存在交點(diǎn)的最小XH2值約為XH2= 0.25（相交于D點(diǎn)），這說明點(diǎn)火的瞬態(tài)情形不發(fā)生回火的最大XH2為0.25。

通過上述分析討論可知，使用β = 0.2的閾值，對于灶具的“穩(wěn)態(tài)”情形（天然氣穩(wěn)定燃燒后逐漸增加摻氫比）和點(diǎn)火“瞬態(tài)”情形（點(diǎn)火前天然氣已經(jīng)摻氫）而言，其對應(yīng)的不發(fā)生回火的最大XH2分別為0.5和0.25，這與文獻(xiàn)[14]中的實驗現(xiàn)象基本一致。因此，使用β值的分析方法能夠定性地解釋燃?xì)庠罹叩摹八矐B(tài)”和“穩(wěn)態(tài)”回火摻氫比的差異現(xiàn)象。

從上述實驗結(jié)果可以看出，天然氣摻氫后發(fā)生回火的工況都出現(xiàn)了β的顯著下降，這與理論分析的結(jié)果保持一致，證明了利用β判斷燃燒設(shè)備回火風(fēng)險的合理性。綜合考慮發(fā)生回火時具體β值，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)β < 0.6時，燃燒設(shè)備發(fā)生回火的可能性顯著增加，這對于判斷天然氣摻氫后燃燒設(shè)備的回火風(fēng)險具有重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

本文獲得了預(yù)混燃燒燃?xì)忮仩t和燃?xì)庠罹叩膶嶋H入口運(yùn)行參數(shù)及火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?guī)律，并定義了參數(shù)β用來表征天然氣摻氫后燃燒設(shè)備回火特性。本文得到的主要結(jié)論如下。

（1）在天然氣燃燒設(shè)備實際運(yùn)行中，燃料摻氫比變化會影響燃料密度、熱值等參數(shù)，進(jìn)而影響燃燒設(shè)備中燃料、空氣入口條件及燃燒當(dāng)量比。當(dāng)摻氫比從0增加到0.4時，對于燃?xì)忮仩t（場景#1和場景#2）來說，預(yù)混氣體的燃燒當(dāng)量比隨摻氫比的增加而下降，進(jìn)而使摻氫后火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?guī)律較為復(fù)雜，需要根據(jù)初始未摻氫時的當(dāng)量比具體討論；對于燃?xì)庠罹撸▓鼍?3）來說，預(yù)混氣體的燃燒當(dāng)量比隨摻氫比增加而下降，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S摻氫比和當(dāng)量比變化均呈現(xiàn)上升趨勢，且初始未摻氫時的當(dāng)量比Φ越高，相同摻氫比下火焰?zhèn)鞑ニ俣认啾扔诩兗淄闀r的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龇酱蟆?/p>

（2）β定義為預(yù)混氣體未燃側(cè)流速歸一化參數(shù)與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葰w一化參數(shù)的比值，用來評估天然氣摻氫后設(shè)備發(fā)生回火的可能性。對于燃?xì)忮仩t，當(dāng)摻氫比在0～0.4范圍內(nèi)變化時，β的變化范圍是0.95～1.4，表明鍋爐無明顯回火風(fēng)險。對于燃?xì)庠罹?，?dāng)摻氫比在0～0.4范圍內(nèi)變化時，β的變化范圍是0.2～1，并且單調(diào)下降，在β < 0.6的工況下回火風(fēng)險顯著增加。

（3）對于燃?xì)庠罹咴凇胺€(wěn)態(tài)”情形（天然氣穩(wěn)定燃燒后逐漸增加摻氫比）和點(diǎn)火“瞬態(tài)”情形（點(diǎn)火前天然氣已經(jīng)摻氫）而言，摻氫比和當(dāng)量比對這兩種情形下火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懶Ч煌?，在等β值下對?yīng)不發(fā)生回火的最大摻氫比分別為0.5和0.25，可解釋兩種情形下回火摻氫比差異的現(xiàn)象。