第 1 章 绪 论
1.1 研究背景
能源是人类发展最重要的物质保障，也是人类一切活动的动力来源，人类进行相关活动的时候都要消耗一定的能源，只是能源类型不一样[1]。人类在封建社会时期主要采用焚烧的手段利用柴草能源进行取暖、照明和烹饪等等；而资本主义社会至今，人类开始进入化石能源时代，也就是以煤、石油和天然气等作为民用和工业燃料[2]。随着世界经济的发展，人类对自然资源的索取和利用越来越深入，但是不合理的资源利用对人类的可持续发展和环境保护造成严重威胁，如发生在 1930 年的马斯河谷烟雾事件、洛杉矶著名的光化学烟雾事件及上世纪 60 年代伦敦异常严重的烟雾事件等[3]。能源的利用问题已成为阻碍世界可持续发展的重要问题，化石能源逐渐减少和生活环境的破坏是人类发展必须面临的重大问题[4]。随着能源结构的逐步调整和完善，煤炭在我国的能源消费结构中所占比例将会进一步的下降[5]，但是我国以煤为主体的能源消费局面短时间内依然不会有巨大的改变。如图 1-1 所示的，各种能源的消费量在我国能源消费中所占比重的差异显示了我国“富煤、贫油、少气”的能源供应局面[6]。虽然随着国家节能减排的实施和能源结构进一步改变，煤炭能源所占比例持续下降，由 2009 年的将近 70%到 2013 年的 66%，但煤的耗量还是呈逐年上涨的趋势，所以煤炭在我国能源的消费中占据主要部分的局面在目前阶段不会有太大的改变[7]。煤炭是十八世纪以来人类最主要的能源之一[8]，但是这种燃料在燃烧和环保等方面都还存在各种各样的问题需要解决。煤炭在燃烧后会产生大量的污染物，主要包括 CO2和 SO2等，这也是煤作为燃料的一大缺点[9]。在人类利用能源的过程中，生态环境遭到污染和破坏，其中 CO2、SO2和 NOX的排放占据了主要因素。以煤炭消费为主要部分的能源消费结构是造成我国以酸雨和二氧化硫为主的大气污染的主要原因[10]。调查相关资料发现，2010 年二氧化硫的排放值达到 2185.1 万吨，烟尘的排放也达到829.1 万吨，工业粉尘为 448.7 万吨[11]；到了 2012 年，SO2排放为 2117.6 万吨，NOX的排放为 2337.8 万吨，充分显示了我国严重的环境污染局面。我国二氧化碳和二氧化硫的排放量为世界第一，主要是因为煤炭燃烧技术的限制以及燃煤能源利用率低，燃煤过程中产生大量的污染物破坏环境[12]。雾霾在最近几年呈现出蔓延的趋势，对于居民的出行和身体健康都产生有害的影响，京津冀地区尤其严重[13]。雾霾的形成主要是气象和环境两方面的因素，其中大量的 PM2.5 构成了主要影响部分[14]。如果长时间处在 PM2.5 浓度高的环境中，会对身体的免疫、呼吸和血液等系统造成巨大的伤害。PM2.5 的来源较复杂，其中二次生成的细颗粒物主要是由 SO2和 NOX等被氧化后产生的，而二次生成的细颗粒物是 PM2.5 的主要部分。2013 年，国务院为了缓解雾霾的危害，颁布了《大气污染防治行动计划》，以尽量降低煤炭的消费量、燃煤设施的更新换代和“煤改气”等措施逐步改变我国以煤为主的消费结构[15]。
..........
1.2 天然气掺氢
在世界大发展的时代，化石能源的大规模开采和污染物的排放都引起了环境的恶化，比如地表温度上升、雾霾天气周而复始、生态失衡等等。能源的供给和利用方式对经济发展以及生态环境产生深远的影响，人类对能源转换利用相关技术的研究是一场关键性的革命。根据相关探矿数据预示，气态燃气将会逐步取代液态油成为能源利用的主流，因此煤制天然气的技术革新将是突破能源使用屏障的重要途径之一。在我国缺油、少气、多煤的资源形势下，深入探索开发煤制天然气产业能够促进能源转换革命和技术研究。我国“十三五”阶段的重要任务就是建设先进新能源的产业体系，这也是天然气进一步发展的关键时期[28]。CH4是煤制天然气最重要的组成部分，含量大致为 95%。煤制天然气含有一定量的H2、基本不含有 C2+烃类和硫等，这也是煤制气与普通天然气在组分上最大的差异[30]。根据已经投产和经过国家批准的煤制天然气项目的设计方案，现有生产工艺下的煤制气产品的组分范围可以基本确定。美国大平原煤制天然气项目是世界上第一个建设运行的工业化生产项目，在国内大唐克旗项目是首个投产的煤制天然气项目，并陆续有新疆伊宁等多个项目投产运行。现有和在建的煤制气项目产品组分数据，如表 1-2 所示[31]。煤制天然气组分与普通天然气最大的差异是含有少量氢气，根据这一特点，本文通过在管道天然气中混入少量氢气，在研究含氢量变化时对燃具的热负荷、污染物排放和火焰稳定性的影响，同时利用天然气掺氢代替煤制天然气研究煤制天然气在 12T 燃具上的燃烧情况。
.........
第 2 章 燃气互换性
本文主要内容就是通过在管道天然气中混入不同体积分数的氢气观察对燃烧设备的影响，采集实验数据，分析含有少量氢气的混合燃气与基准气的互换性。其中，燃烧设备的热负荷与火焰稳定性是判定两种燃气能否互换的关键参数。同时污染物排放也是燃气是否能够正常使用的一个指标，本文也要分析天然气中含氢量的变化对燃具污染物排放的影响。下面对燃具的热负荷、火焰稳定性以及烟气排放原理进行详细的阐述，为下一步的实验进行理论指导。
2.1 燃气互换性研究现状
美国对燃气互换性的定义：在不对燃具运行安全、效率和性能产生明显影响，不明显增加空气污染物排放量的情况下，采用一种燃气替代另一种燃气的能力[42]。以前的互换性重点关注在燃具的各方面燃烧性能是否受到影响，而新的判定角度是从安全性、节能和排放等方面去考虑。自从燃气互换性研究以来，最被认可的燃气互换性判定方法包括德尔布判定法、A.G.A 指数判定法以及韦弗指数判定法等，这些方法从不同角度对两种燃气的互换性进行判定[43]。这些判定法基本都是上世纪 80 年代得出的研究成果，主要应用于大气式燃烧方式。而对于这些方法是否适合全预混燃烧火焰的互换性判定，还没有正式的结果被提出。欧盟提出的《协调统一的天然气质量》依据燃气高热值、华白数、相对密度中的其中两个指数对燃气互换域进行了解释。美国的《天然气可互换性及非燃烧应用白皮书》将传统燃气互换性判定方法的缺陷明确点出，提出了“工作区间”的新概念[44]。我国的城镇用气一向是天然气和液化石油气等多种气源共同存在的局面，气质组分较复杂[45]。1980 年，城市煤气设计规范管理组在上海开始研究燃气的互换性判定和燃具适应性，确定燃气华白数和燃烧势的允许范围。国家在上世纪 90 年代提出的《GB /T13611—92 城镇燃气分类》，最大的目的就是对城镇燃气的分类、各种指标的计算方法等方面进行确定。随着天然气大规模的推广使用，国内大量的学者对各种气源转换工艺进行研究。这些研究得出了一些结论，但是还未建立较完全的适合燃气互换性的理论体系和完善的技术标准，还没有办法为我国城镇气源供应局面进行系统的分析和帮助。因此在“十一五”期间，国家进行“城市燃气转换理论与改造技术”等专题系统研究[46]。随着更多节能减排、高效的燃烧设备被开发利用，同时燃具还采用不同的燃烧方式。2005 年燃气多种燃气气源的互换性研究课题组开展相关研究，包括加大对多气源互换性实验系统的投入、研究燃具的适应性和气源转换评估体系等等。伴随城镇燃气的广泛利用，我国对燃气互换性和燃具适应性等多个方面都深入进行测试，取得了一系列的重要成果[47]。当然，由于燃具结构的日益多样化及燃烧技术的进步，需要进一步对燃气互换性的技术参数和指标范围进行试验和相关论证，努力建立起完善和有根据的城市燃气互换性研究体系。
..........
2.2 热负荷
燃烧设备热负荷的含义是表示燃具在工作时，燃气单位时间内能够释放出的热量。由于本文的测试对象包括家用燃气灶和燃气热水器等，根据《GB16410-2007 家用燃气灶》和《GB6932-2001 家用燃气快速热水器》等标准的要求，热负荷的测量应该在燃具点火后的 15-20 分钟内进行，保证燃烧器是稳定工作情况。在燃气流量的测定工作中，测试时间应该超过 1 分钟，测试次数必须超过两次，减少仪器和人为造成的误差，保证数据的准确性[48]。燃具的热负荷变化是体现一台燃具是否正常工作的基础参数之一，若燃具热负荷变化太大，将会使得燃具的使用达不到要求，也会增大用户的危险性。所以说，燃具的热负荷在燃气发生改变后没有产生太大的变化，这是保证两种燃气能够进行互换最基本的条件。在两种燃气互换时，燃具热负荷主要与华白数改变有关，燃气华白数 W 是燃气的各个组分含量改变时衡量热负荷变化最重要的参数，也是判定两种不同组分的燃气能否互换的一种基本办法[49]，而华白数主要是反映了燃气的组分性质对燃具热负荷产生的影响，火焰的稳定燃烧是表示燃具能够正常工作的重要标准之一，也是两种燃气的是否能够互换的重要指标。在进行稳定性测试实验之前，本文通过燃烧势和 A.G.A 指数法对不同含氢量的混合燃气在燃具上的燃烧火焰稳定性相关指标进行计算，下面对火焰稳定性的含义和主要特性、燃烧势以及 A.G.A 指数法的特性指数进行详细叙述。
..........
第 3 章 氢含量对燃烧设备的影响研究实验........19
3.1 实验系统............ 19
3.2 实验测试对象............ 21
3.3 实验方案设计............ 25
3.4 本章小结............ 26
第 4 章 理论计算和测试结果分析........27
4.1 热负荷........ 27
4.1.1 华白数与热负荷 ........ 27
4.1.2 热负荷偏差 ........ 30
4.2 火焰稳定性........ 32
4.2.1 稳定性理论计算 ........ 32
4.2.2 稳定性测试分析 ........ 34
4.2.3 稳定性对比分析 ........ 41
4.3 污染物排放........ 41
4.3.1 家用燃气灶污染物排放 ............ 41
4.3.2 燃气热水器污染物排放 ............ 42
4.3.3 燃气壁挂炉污染物排放 ............ 44
4.4 本章小结............ 45
第 5 章 结论和展望........46
第 4 章 理论计算和测试结果分析
本文主要研究当天然气中混入不同体积含量的氢气时，对燃具热负荷变化、污染物排放数值变化和燃烧稳定性方面的影响，同时利用天然气掺氢代替煤制天然气，考察煤制天然气与基准气的互换性。在实验之前，需要对相关理论计算进行计算，得出结论，并与实验结果进行对比验证。对9台不同型号的燃具在4种气源下进行了测试，获得每台燃具的热负荷、火焰稳定性和污染物排放量等数据，并对相关数据进行整理和比较分析。
4.1 热负荷
对 0%、1%、3%和 5%四种不同含氢量下的混合燃气在 9 台不同型号的燃具的燃烧进行了测试，获得每台燃具的实测热负荷数据。通过理论计算得出不同含氢量的混合燃气的华白数变化趋势，并与热负荷实测数据进行对比分析。同时需要对燃具的设计热负荷和实测热负荷的偏差进行计算，分析测试结果是否符合国家标准中的热负荷变化要求。根据在建和准建的煤制天然气项目设计数据了解到，煤制天然气中的氢气体积分数都没有超过 4%，所以选取 1%、3%和 5%三个混氢比例的混合燃气进行理论计算。当管道天然气混入不同比例氢气时混合燃气的组分也会随着发生变化，为了进行下一步的理论计算，需要先对混合燃气组分进行计算，含有不同氢气含量的混合燃气组分见表 4-1。由表 4-1 可以看出，甲烷是管道天然气最重要的组分，也占据了最大的一部分。当混合燃气中的氢气体积分数增大时，甲烷体积分数受到最大的影响，其它组分只有少量的降低，甚至基本没有什么变化。根据混合燃气的组分对高热值、高华白数进行计算，结果见表 4-2。
.........
结论
本文通过市场调研，挑选三种（共 9 个型号）的燃具作为测试对象，在管道天然气中混入不同体积分数的氢气，研究不同的含氢量对于各个燃具的热负荷、污染物排放和燃烧稳定性的影响。经过测试和数据分析，得到以下结论：1. 燃具的实测热负荷会随着天然气中的含氢量的增大而下降，这与理论计算华白数变化趋势相对应。2.当混合燃气中混氢比例分别为 1%、3%和 5%时各个测试燃具的热负荷偏差都没有大于±10%，符合国家标准。说明从热负荷角度，三种混合燃气能够与基准气进行互换。3. 通过燃烧势和 A.G.A 指数方法计算，从理论上判定当天然气中混入 1%、3%和 5%氢气时燃烧火焰不会出现不稳定燃烧现象，实验中验证了这一点。说明当混合燃气掺氢比不超过 5%时，能够与基准气进行互换。本文也利用天然气混入少量氢气代替煤制天然气进行研究，证明含有少量氢气的煤制天然气在 12T 燃具能够正常燃烧。4. 理论计算显示当混合燃气中掺氢比超过 25%时火焰稳定性会出现问题，通过实验发现，大部分燃具在掺氢比达到 20%～30%后出现燃烧稳定性问题，理论和实验接近但是也有误差。5. 从测试燃具的污染物排放测试结果中发现，随着混氢比例的增大，9 台测试对象燃具 CO 的排放值都会出现下降的趋势，而大部分燃具的 NOX排放都没有很大的变化波动。结果说明天然气中的含氢量能够降低测试燃具的 CO 的排放值，而不会对于 NOX排放产生明显的影响。
..........
参考文献（略）