作为一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源，氢能逐步成为全球能源技术革命的重要方向^[1]。发展氢能有利于可再生能源的高比例消纳，助力实现“2030年碳达峰、2060年碳中和”的发展目标，有利于降低中国的能源对外依存度，有力保障国家能源安全^[2]。氢能的发展是一个逐步推进的过程，将氢气与天然气混合组成富氢天然气，并通过现有天然气管网输送，被视为过渡阶段大规模长距离输氢的最佳方案^[3]。2021年，欧盟委员会公开表示正在制定针对家用供热锅炉的最新标准，其中“至少满足20％掺氢比”的要求引人瞩目。截至2022年5月，西班牙、英国、美国、比利时、德国等均已启动了天然气掺氢规划，力争实现在天然气管道中掺氢20％的目标。目前，中国已有天然气掺氢商用项目落地^[4]。GB/T 13611—2018《城镇燃气分类和基本特性》规定12T天然气回火界限气H₂体积分数为23％，即要求终端设备在23％掺氢比下能够稳定燃烧。由于氢气与天然气的燃烧特性有显著差异，有关天然气掺氢对终端燃气具的影响受到广泛关注，相关研究显示，掺氢会改变燃气的燃烧特性，影响燃气器具性能，增加燃气回火和爆燃的风险，但改善了脱火的缺陷^[5-8]。掺混氢气的上限既受到燃具适应范围对华白数的要求，又要注意回火风险的影响，还与天然气具体组分有关^[8-9] ；根据互换性分析方法，普遍认为掺氢比不超过20％的天然气可直接应用于现有天然气器具，不会造成不可接受的变化，可提高效率并降低污染物排放，但噪声会有增大^[10-16]。

目前，中国近30个省市已制定了氢能发展规划，未来将构建更为完备的氢能产业链。国家发改委、国家能源局联合发布的《氢能产业中长期发展规划（2021—2035年）》中指出：到2035年，中国将形成氢能产业体系，构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态；可再生能源制氢在终端能源消费中的比重明显提升，对能源绿色转型发展起到重要支撑作用。由掺氢天然气逐渐过渡到纯氢，最终实现燃气脱碳是其中的重要组成部分，而有关民用燃气器具纯氢燃烧的应用研究却鲜见报道。在此，通过实验探索氢气燃气灶燃烧器的合理结构与运行参数，并分析其对点火噪声、污染物排放及能效的影响，以期为氢气燃气灶的设计提供参考。

利用燃气灶燃烧器进行实验，以纯氢为燃料，进气压力为2 000 Pa，设计热负荷为3.5 kW，喷嘴直径1.72 mm，火孔深度10 mm。氢气从燃气入口经喷嘴进入到混合腔中，空气从空气入口强制补入，与氢气在混合腔与燃烧器头部空腔中混合，然后从燃烧器头部的火孔流出燃烧（图1）。

实验方法参考GB 16410—2020《家用燃气灶具》的规定，选用直径280 mm的标准锅作为试验用锅，氢气由制气公司采用特制瓶储装供给。实验过程中，氢气经高-中压、中-低压、低-低压减压阀多级减压后，由截止阀门与低-低压调节阀控制，再流至湿式流量计进行流量测定，最后经喷嘴喷射入燃气灶燃烧器。U形压力计通过三通管连接在距离燃气灶进气口100 mm的进气管上，对灶前压力进行测定；空气由离心风机供给，由截止阀门、低-低压调节阀控制流量，由湿式流量计测定流量，最后流入燃气灶燃烧器，并与氢气混合均匀后从火孔流出进行燃烧反应（图2、表1，其中p₁、p₂分别为入口压力、出口压力）。

图1 燃气灶燃烧器结构示意图Fig. 1 Structure of gas stove burner

图2 氢气燃气灶燃烧实验系统示意图Fig. 2 Combustion experimental system of hydrogen gas stove

表1 测试与实验系统主要仪器仪表参数表Table 1 Parameters of main instruments of test and experiment systems

目前，家用燃气灶多为大气式燃烧器，一次空气系数α'通常为0.45～0.75^[17-18]。天然气掺氢20％后，热值降低16％，华白数升高1.5％，相对密度降低为0.458；实测折算热负荷降低约5.8％，热效率上升约2％，烟气中O₂含量有所增加、CO及CO₂含量则有所降低，点火噪声高出1～3 dB（A），与已有研究结果^[16]一致。通过调节风门板、减少一次空气量的方式，可减小点火噪声，大部分12T天然气燃气灶无需更改配置，即可适用于掺氢比不超过20％的天然气。

将天然气掺氢比分别提升至30％、50％、70％，在不更改燃气灶燃烧器参数的前提下进行测试，发现热负荷由使用天然气基准气时的4.2 kW分别降至3.85 kW、3.64 kW、3.42 kW。当使用掺氢比为50％的燃气时，需将风门板全关闭，并将喷嘴一次进气孔直径由3.2 mm缩小至2 mm，使一次空气系数低于0.3，方可正常点火并稳定燃烧；当掺氢比达到70％时，除上述措施外，还需将火孔数量减少1/3以上，使火孔流出的混合气体流速提高约1.3倍，方可点火并稳定燃烧。对烟气进行检测，发现烟气中O₂体积分数由约12％降至11％；CO体积分数由0.025％降至约0.005％；逃逸H₂体积分数由约0.002％增至0.015％以上；NO_x体积分数变化不大。

氢气燃烧速度远大于天然气，掺氢天然气的层流燃烧速度随掺氢量的增加而迅速增大^{[9，14-16，19]}。根据研究，在供气压力不变的条件下，随着掺氢比的增加，燃料体积流量增加，其引射的空气量略有增加，一次空气系数增大，受掺氢比与当量比的共同作用，回火风险显著增大。为避免回火，需通过调节风门板、减小喷嘴上的一次进气孔面积来减少一次空气补给，降低一次空气系数，使燃烧速度降低；同时，通过减少燃烧器的火孔面积，增大混合燃气从火孔流出的速度，从而使气流速度与燃烧速度重新取得平衡，以维持燃烧的稳定性。在掺氢比较高的情况下，氢气参与燃烧虽可以提高燃烧温度，但一次空气的减少会导致燃烧反应效率下降，进而导致逃逸H₂含量的增加，致使燃烧温度下降。由于这两种因素的综合影响，整体火焰温度无显著变化，火焰区未出现局部高温，NO_x生成条件亦未发生改变，其含量无明显变化。

2.1 燃烧器设计因素对点火噪声及烟气的影响

通过调节实验装置的低-低压调压阀，使U形压力计示数（燃气灶前压力）为2 000 Pa ；加工喷嘴直径至1.72 mm，使氢气流量达到1.25 m³/h（即热负荷为3.5 kW）；调节供给空气量，使一次空气系数分别为0.2、0.4、0.6；分别测试火孔直径为1.0 mm、1.3 mm、1.5 mm、1.8 mm的火盖。在点火约15 min后，燃烧器达到热平衡，检测点火噪声与烟气中NO_x、H₂含量（表2），并折算为过剩空气系数α=1时干烟气中的含量：

式中：C_NOx(α=1)、C_H2(α=1)分别为过剩空气系数α=1时干烟气中NO_x、H₂的体积分数；C'NO_x、C'H₂分别为烟气中实际测得的NO_x、H₂体积分数；C''NO_x、C''H₂分别为室内空气中NO_x、H₂的体积分数；C'O为烟气中O₂的体积分数。

表2 不同一次空气系数及火孔直径下点火噪声与烟气中NOx、H2含量统计表Table 2 Statistics on ignition noise and NOx and H2 concentration in flue gas at different primary air coefficients and burner port diameters

掺氢比为40％以上的天然气的点火都会出现“闪回”现象，掺氢比越高，“闪回”越严重，点火噪声越高^[19]，纯氢点火时该现象更为严重。通过降低一次空气系数以减小燃烧反应效率与火孔直径，从而增大火孔出口的气流速度，可有效降低点火噪声（图3）。

图3 不同一次空气系数下点火噪声随火孔直径变化曲线Fig. 3 Variation of ignition noise with burner port diameter under different primary air coefficients

在一次空气系数0.6、火孔直径1.5 mm、燃烧器处于冷态的条件下，虽点火噪声较大，但未出现回火爆炸现象，可以维持稳定燃烧。燃烧15 min后，关闭气源使火熄灭，然后立即打开气源再次点火，点火噪声明显增大，偶尔出现回火爆炸现象。增大火孔直径至1.8 mm，燃烧器处于冷态时，点火噪声极大，尚未回火到燃烧器内部，随着燃烧时间的加长（约3 min），会发生回火到燃烧器内部并爆炸，火焰被炸灭。燃烧器被加热后，再次点火均会出现回火爆炸现象，无法正常点火与燃烧。

由燃气灶点火时层流燃烧速度随当量比变化曲线（图4）可见，当燃气灶冷态点火时，燃烧器混合腔内充满空气，燃料与空气混合物流入后，空气先从火孔流出，随后氢气与空气的混合物流出火孔，点火针开始放电点火。在极短时间内，燃烧器火孔出口附近的氢气当量比从0逐渐增至富氢，点火位置位于A点。当燃气灶热态点火时，由于氢气与空气混合气体的初温升高，点火位置位于B点，层流燃烧速度远高于A点。此外，若火孔增大，火孔处气流速度将降低，当燃烧速度高于气流速度时，将出现回火现象。因此，温度越高、火孔越大，越容易出现回火爆燃。

图4 燃气灶点火时层流燃烧速度随当量比变化曲线Fig. 4 Variation of laminar flame speed with equivalent ratio at ignition of gas stove burner

由不同一次空气系数下烟气中NO_x含量随火孔直径变化曲线（图5）可见，随一次空气系数、火孔直径的增大，烟气中NO_x含量呈增加的趋势。这是因为随着一次空气的增加，燃烧更加充分，火焰温度升高，热力型NO_x的生成加剧；同时，增大火孔直径，降低混合气体从火孔流出的速度，会使火焰与二次空气更好地接触，进一步增加燃烧的充分度，使火焰温度升高，导致烟气中NO_x含量升高。由不同一次空气系数下烟气中H₂含量随火孔直径变化曲线（图6）可见，随着一次空气系数、火孔直径的增大，烟气中H₂含量呈现减少的趋势。其原因是随着一次空气系数、火孔直径的增大，燃气燃烧更加充分，减少了逃逸的H₂含量，同时也提高了燃烧温度。综上，考虑火孔加工工艺，建议设计纯氢燃气灶燃烧器时，一次空气系数不宜超过0.2，火孔直径宜为1.3~1.5 mm。

图5 不同一次空气系数下烟气中NOx含量随火孔直径变化曲线Fig. 5 Variation of NOx concentration in flue gas with burner port diameter under different primary air coefficients

图6 不同一次空气系数下烟气中H2含量随火孔直径变化曲线Fig 6 Variation of H2 concentration in flue gas with burner port diameter under different primary air coefficients

2.2 火孔间距对烟气成分的影响

氢气燃烧势高、扩散速度快，火焰极易连成一片，不利于二次空气补充助燃，因此在设计纯氢燃烧器时需特别注意火孔间距。通常，纯氢燃烧器应比碳氢化合物燃烧器的火孔间距大。对于碳氢化合物燃烧器，火孔间距一般为火孔直径的2.0～3.0倍^[17-18]，而大部分天然气燃气灶的火孔间距为4～8 mm，纯氢燃气灶火孔间距采用此值时，火焰全部连为一片。因此，纯氢燃烧器的火孔间距应加大，试取大于8 mm。

以一次空气系数0.2、火孔直径1.5 mm作为实验条件，更换火孔间距分别为10.2 mm、15.6 mm、20.1 mm的火盖进行测试。通过读取燃烧时烟气中NO_x和H₂含量，分析火孔间距对燃烧性能的影响（表3）。当火孔间距小于10 mm时，火焰相互靠近并连成一片，导致火焰与空气的接触面减少，二次空气的补充受到影响，燃烧温度降低，NO_x生成减少，烟气中逃逸H₂含量增加。当火孔间距为10～20 mm时，火焰更加清晰，二次空气可顺利补充，燃烧反应效率提高，火焰温度相应提高， NO_x生成量增加，烟气中逃逸H₂含量则有下降的趋势。当火孔间距大于20 mm时，尤其是在小热负荷、低燃气气压的情况下，火焰传递将出现不畅现象。为使火焰较为清晰、二次空气的补充更充分、燃烧更完全，并控制烟气中NO_x生成量及H₂逃逸量，建议设计纯氢燃气灶燃烧器时，火孔间距为12～18 mm。

表3 不同火孔间距时烟气中NOx、H2含量表Table 3 NOx and H2 concentration in flue gas at different burner port spacing

2.3 火孔倾角对能效及烟气成分的影响

火孔倾角（火孔轴线与水平面的角度）直接影响火焰形态，对燃烧工况及能效有一定影响。火孔倾角越大，火焰越往燃烧器的中心聚拢，可增加锅与火焰的接触面积，增大换热面积，有利于能效提升。但火孔倾角增大，不利于二次空气的补充，将导致燃烧反应效率下降。对于天然气与液化石油气燃气灶，火孔倾角通常小于30°^[18]，但考虑纯氢的燃烧特性，燃烧器火孔倾角应当适当增大。

设计纯氢燃气灶燃烧器火孔倾角分别为30°、45°、60°，在火孔间距15 mm、火孔直径1.5 mm、一次空气系数0.2的条件下，测试烟气中NO_x、H₂含量，按照GB 30720—2014《家用燃气灶具能效限定值及能效等级》，选用直径280 mm的标准锅进行能效测试。分析火孔倾角对能效及烟气中NO_x、H₂含量的影响（表4），可见火孔倾角从30°增至60°，能效有所增加，烟气中NO_x变化较小，但逃逸H₂增加。

表4 不同火孔倾角下能效及烟气中NOx、H2含量统计表Table 4 Statistics of energy efficiency and NOx and H2 concentration in flue gas at different burner port angles

火孔倾角增大，燃烧反应效率下降，烟气中逃逸H₂增加，降低了燃烧温度，抑制了NO_x的生成。此外，也增加了过剩空气中N₂在高温区停留的时间，而这将促进NO_x生成。整体上，火孔倾角对NO_x的影响较小，综合考虑逃逸H₂和能效，建议纯氢燃气灶燃烧器的火孔倾角取40°～50°为宜。

针对家用燃气灶的纯氢燃烧器的合理设计，通过调整一次空气系数、火孔直径、火孔间距、火孔倾角等参数，研究其对燃气灶能效及烟气成分的影响，得到以下结论。

（1）一次空气系数与火孔直径的增加会导致点火噪声加剧，超过一定值时容易出现爆炸的危险。因此，燃烧器的一次空气系数不宜超过0.2，火孔直径宜为1.3～1.5 mm。

（2）火孔间距的选择应该考虑到烟气中NO_x和逃逸H₂的排放，原则上应大于碳氢化合物燃烧器的火孔间距，因此燃烧器的火孔间距宜为12～18 mm。

（3）30°～60°范围内的火孔倾角对烟气中NO_x含量影响较小，但会影响到烟气中逃逸H₂的含量与能效，故火孔倾角选择40°～50°较为合适。

从一次空气系数、火孔直径、火孔间距、火孔倾角等方面对燃气灶的燃烧器进行了分析，研究结果对使用氢气的家用燃烧灶的设计和推广具有指导意义。需要指出的是，纯氢燃烧器的研究还有许多重要结构参数需要深入研究，未来研究应针对防回火、防爆结构、气路、燃烧器材料选择进行深入探讨，以期实现更加稳定、高效的纯氢燃烧器设计。