引言如今，居民生活及工业生产对燃气的需求量巨大，通过可再生能源产生的氢气可以作为供给终端用户的燃料，但现在的燃气输运管道多数为天然气及液化石油气管道，若重新修建纯氢气的输运管道，需要更换配套的燃气设备，投资成本过高。天然气管道的设施较为成熟，国内外很多城市选择将氢气掺入天然气管道进行输送应用。2017年，英国开展了HyDeploy项目，分3个阶段逐步在基尔大学建立天然气管网的掺氢设备，通过实际应用检验氢气与天然气混合对终端设备的实用性和安全性影响。2019年，意大利Snam公司将体积分数为5%的氢气与天然气混合，进行天然气管网运输试验，为当地的生产企业提供能源。该项目每年可向管网中输入35 亿m3的氢气，减少二氧化碳排放量250 万t。2019年中国电投的朝阳可再生能源掺氢示范项目，填补了国内天然气管道掺氢的空白，此项目将验证氢气从制取到综合利用的产业链上的关键技术，截至2021年，该项目以10%掺氢比例与天然气混合后供燃气锅炉使用，已安全运行一年。家用燃烧器使用天然气掺氢燃料时，首先应该了解掺混氢气对燃烧过程的化学动力学影响，燃烧的化学动力学研究是多元燃料能否实现高效低污染燃烧的关键。研究人员通过试验测量与模拟计算，对甲烷与氢气燃烧的化学动力学进行探索。Hu[1]等设计了一个定容燃烧室系统与纹影高速摄影结合的试验，结果表明，针对甲烷掺混氢气燃烧，根据燃料中氢气的比例，可将燃烧过程分为3个状态：氢气含量低于60%时，以甲烷燃烧为主；氢气含量在60%~80%过渡状态，氢气与甲烷共同促进燃烧；氢气含量大于80%，甲烷为抑制氢气燃烧状态。Donohoe[2]等在激波管以及快速压缩机中测量点火延迟时间，确定由于向甲烷和天然气混合物中添加氢气而导致的反应性增加，采用Chemkin-Pro软件对试验数据进行模拟，试验数据表明着火延迟时间随着温度、压力、氢掺混气比例和长链碳氢化合物的增加而降低。国内的学者也对甲烷掺氢燃烧的化学动力学进行了研究，李清芳[3]的计算结果表明，随着掺氢比的增加，火焰放热率递增，火焰厚度和反应区厚度呈递减趋势。添加过量氢气时，如氢气添加量达到70%时，部分氢气反应物属性增强。体系火焰前期lnq对1 000/T的变化关系曲线逐渐由曲线转为直线型，说明添加氢气后，某些特定敏感性反应成为控制层流预混火焰燃烧过程的主导反应。Huang[4]等研究了常温常压下定容燃烧室中天然气-氢气-空气火焰的层流火焰特性，其中氢气的体积分数为0~100%，燃料当量比为0.6~1.4，同时分析了拉伸速率对火焰的影响。结果表明，在天然气中掺混低比例氢气时，火焰半径随时间增加，但增加的速率随火焰膨胀而减小；在高氢气比例的混合物中，火焰半径与时间之间存在线性相关关系。因此，在家用燃烧器设备上使用甲烷掺氢燃气时，应探究氢气按体积比例加入后对甲烷/空气火焰的影响。1Chemkin-Pro模型简介及机理验证Chemkin-Pro软件于1980年由美国Sandia国家实验室的Kee R. J等联合开发，主要用于燃烧化学动力学的相关研究。现行版本的Chemkin-Pro拥有简洁的图形界面，提供多种反应器模块，计算能力得到进一步提升，可以求解复杂化学反应问题，模拟各个研究领域的试验，如腐蚀反应、催化反应、燃料热解、扩散火焰、层流预混火焰。本研究主要针对甲烷燃料掺氢在空气中的燃烧特性，模拟计算气相化学过程，需要输入相应的化学机理、热力学数据和输运数据。计算选择Chemkin-Pro软件平台中的预混层流火焰速度计算模型Premixed Laminar Flame-Speed Calculation。一维火焰的控制方程为：M˙=ρμA (1)M˙dTdx-1cp⋅ddx(λAdTdx)+Acp∑k=1KρYkVkcpkdTdx+Acp∑k=1KωkhkWk+AcpQ˙rad=0 (2)M˙dYkdx+ddxρAYkVkAωkWk=0 , k=1,2,⋯Kg (3)ρ=PW¯RT (4)式中：x——空间坐标；M˙——质量流量；T——温度；Yk——第k种物质的质量分数；P——压力；u——流体混合物的速度；ρ——质量密度；Wk——第k种物质的分子量；W¯——该混合物的平均分子量；R——通用气体常数；λ——混合物的导热系数；cp——混合物的恒压热容；cpk——第k种物质的恒压热容；ω˙k——单位体积中第k种物质的化学反应产生的速率；hk——第k种物质的比焓；Vk——第k种物质的扩散速度；Q˙rad——气体和粒子辐射而造成的热损失；A——火焰流经管道的横截面，通常按燃烧区域进行标准化。根据家用燃烧器工作时的外界压力，设置计算模型的压力为1.01×105 Pa，计算的环境温度为室温，计算域选取0~0.3 cm（此计算域经计算足够达到热平衡），燃料入口流速为0.04 g/(cm2·s)。综合研究不同掺氢比例下，甲烷掺氢对燃料火焰燃烧温度的影响。氢气的体积分数为0~40%。甲烷掺氢模拟计算设置如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.017.T001表1甲烷掺氢模拟计算设置参数数值压力/Pa1.01×105环境温度/K300氢气体积分数/%0、10、20、30当量比0.6、0.8、1.0、1.2、1.4Gri-Mech 3.0是一种优化的详细化学反应机理，用于计算天然气化学反应过程，此机理也包括氢的详细燃烧反应机理。此机理计算压力范围为1.333~10.132 kPa，当量比范围在0.1~5.0。文献[5]展示了氢气体积分数为0、20%、40%时，测量的甲烷/空气混合燃烧的层流火焰速度与Gri-Mech 3.0计算结果的比较，模拟结果与试验值吻合较好。甲烷/空气混合物模拟层流火焰速度与试验数据对比结果如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.017.F001图1CH4/H2混合物模拟的层流火焰速度和试验数据对比2不同掺氢比例对预混火焰温度的影响燃料在短时间内被点燃，随后达到稳定。在不同掺氢比例条件下，火焰温度的变化幅度不大。由纯甲烷燃烧至氢气含量为20%的甲烷掺氢燃烧，平衡绝热温度由2 018 K增加至2 021 K，与文献[6]中计算结果近似，原因是掺氢比例按照氢气的体积分数掺入，相对于甲烷，氢的分子量非常低。常温常压下，同体积的甲烷与氢气对比，甲烷质量为氢气的8倍。4组不同掺氢比例下的甲烷/空气在预混层流火焰中的火焰温度曲线如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.017.F002图2甲烷掺氢燃烧温度曲线氢气体积分数为10%时，不同当量比下的甲烷掺氢燃烧温度曲线如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.017.F003图3不同当量比下甲烷掺氢燃烧温度曲线当量比Ф=1.2时，燃烧温度最低仅有1 970 K，当量比Ф=1.4时，燃烧温度为2 034 K，相较于当量Ф=1.0时的温度高了64 K。掺混氢气能够提高绝热火焰温度，但当量比的变化对燃烧温度的影响更大，对家用燃气灶进行计算时，需要重点关注掺混氢气后燃料当量比的变化。由阿伦尼乌斯公式可知，火焰温度的上升对其反应速率系数、化学反应过程产生的中间产物和自由基影响较大。3不同掺氢比例对预混火焰结构和自由基的研究当量比为Ф=1时，对4个掺氢浓度的火焰结构和自由基物质的量浓度进行研究，深入了解掺氢对燃烧的影响。分析火焰结构发现，化学反应主要发生在0.4 mm左右的小间距。纯甲烷工况下，燃料进入反应区后，CH4、O2的物质的量浓度迅速降低，H2O的物质的量浓度显著升高，经过反应区后甲烷被消耗殆尽。甲烷分子物质的量浓度接近0时，CO组分到达峰值浓度，而CO2的浓度约为其最大浓度的50%。随着反应继续进行，CO被氧化为CO2，CO2的物质的量浓度也达到最大值。此反应的过程与典型的甲烷氧化途径相符合(CH4→CO→CO2)。处于化学当量比时，OH·浓度最高，H·列居第二，O·浓度最低，此结果与敏感性分析的结果相符。随着掺氢比例的增加，3种自由基的浓度显著增高，H2O的体积分数逐渐升高，CO和CO2的体积分数逐渐降低。当掺氢比例大于20%时，H2从中间产物转变为反应物。不同氢气比例对火焰结构及自由基的影响规律如图4所示。图4不同氢气比例对火焰结构及自由基的影响规律10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.017.F4a1（a）火焰结构10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.017.F4a2（b）自由基4不同掺氢比例下对预混火焰中C基生成物的影响氢气气体加入预混层流甲烷/空气火焰中，会对原来火焰产生直接的化学动力学影响，这是由于氢气本身具有很强的化学反应活性，在火焰燃烧中将扮演重要的角色。为了进一步探究氢气对预混层流甲烷/空气火焰的影响，对数据进行关键组分体积分数分析。预混层流甲烷/空气火焰掺入氢气后，燃料侧中CH4的体积分数下降，将影响对燃烧过程中C基产物的体积分数的分析。原始燃料物质的含量下降时，导致中间产物和衍生物的含量下降，为消除反应物C体积分数的变化对C基中间产物的影响，对C基产物采用C归一化体积分数，计算公式为：Xi,n'=Xi,n·xCH4(1)xCH4(n) (5)式中：Xi,n——火焰n中C相关物质i的体积分数或生成速率；Xi,n'——对应的C归一化值；xCH4(1)——火焰1（纯甲烷火焰）中CH4体积分数；xCH4(n)——火焰n中CH4反应物的体积分数。C归一化的CH4体积分数如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.017.F005图5甲烷体积分数（C归一化）CH4体积分数在不同掺氢比例下几乎不变，表明火焰中的CH4体积分数减少的主要原因是火焰中CH4本身的含量减少。在火焰预热区（0~1.25 mm）时，随着掺氢比例的增加，C归一化后的CH4体积分数略有增加，研究表明氢气的加入有助于甲烷燃烧的低温反应。C归一化后CO的体积分数如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.017.F006图6一氧化碳体积分数（C归一化）分析火焰结构，CO体积分数随着掺氢比例的升高而降低，而C归一化CO体积分数略有增加，表明CO体积分数的减少是因为燃料中的CH4随着氢气比例的增加而减少，C归一化CO体积分数增加是由于添加氢气对化学反应的促进，此现象可在CO的生成速率中清晰观察到。5掺氢比例对甲烷/空气燃烧火焰燃烧速度的影响向甲烷中掺入氢气必须要考虑燃料成分变化对燃烧速度的影响，局部火焰传播速度超过局部气流速度时，火焰在燃烧器端口外不再保持稳定，火焰会通过管道或端口逆向传播，发生回火现象[7]。回火后，火焰可能会在燃烧器内部继续燃烧或熄灭，导致燃烧器损坏、设备突然停止和燃料溢出导致爆炸的危险。控制回火和影响熄火的因素相同，即燃烧器形状及类型、化学当量比和气流速度，文中对燃料氢气含量和化学当量比2个因素对燃烧速度的影响进行分析。不同当量比时，不同掺氢比例的层流火焰燃烧速度如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.017.F007图7不同氢气比例下层流火焰速度通过当量比对燃烧器类型进划分，当量比Ф＜1时，典型燃烧器有锅炉[8-9]；当量比Ф＞1时，常见燃烧器有燃气灶和烤箱。对于贫燃工况（Ф=0.6），纯甲烷工况下燃烧速度为11.3 m/s，燃料中掺入40%的氢气，燃烧速度增长到16.2 m/s，增幅34.5%；对于富燃工况（Ф=1.4），纯甲烷工况下燃烧速度为14.3 m/s，燃料中掺入40%的氢气后，燃烧速度增长到27.2 m/s，增幅90%。结果表明，向贫燃燃烧器的燃料中添加氢气对火焰稳定性影响较小。富燃工况下，当量比的变化放大了氢气对燃烧速度的影响。当量比为0.6~1.4时，层流火焰速度逐渐升高，在当量比Ф=1.1时达到峰值，随后又逐渐降低。当量比保持不变的情况下，增大燃料中氢气比例，层流火焰速度均为上升趋势，氢气层流火焰速度约是甲烷的5倍。因此，改变燃料组分的同时，应重点关注燃料的当量比变化。6结语（1）氢气掺混甲烷/空气预混火焰后，最高火焰温度增高，随着掺氢比例的增加，火焰温度也逐渐上升，但幅度不大。对比发现，不同当量比下掺混氢气都会使火焰温度上升，但当量比的变化对火焰温度的影响更大。（2）氢气的加入减少了燃烧过程中CO的产生，分析C归一化后的CH4体积分数和CO体积分数，结果表明甲烷的减少是生成物中CO体积分数减少的主要原因，氢气的加入会促进甲烷燃烧的低温反应。掺氢后CO、CH4和自由基的总反应速率均上升。（3）层流火焰燃烧速度随着掺氢比例的升高而增高，贫燃工况时，掺氢对层流火焰稳定性影响较小，富燃工况下影响较大。改变氢气比例的同时，应重点关注燃烧器当量比的变化。