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燃气灶具是否适配富氢天然气?试验标准和方法来了!

2022-02-28

富氢天然气(HydrogenEnrichedNaturalGas,HENG)是向可再生能源过渡的有效手段,对燃气灶具的设计和设计基准气提出了新的技术要求。本文利用企业标准确定的富氢天然气基准气和界限气进行了多项试验,发现现有适用12T的燃气灶具通常不宜直接使用富氢天然气,否则会影响正常运行,甚至导致安全性问题,尤其是回火倾向性。适用富氢天然气的燃气灶具的燃烧系统,需要进行专门的设计;同时,不可避免导致产品性能发生一定幅度的变化,如热负荷等。验证了富氢天然气就绪方案的可行性,只要采取合理的技术措施,即可在无需任何改装的情况下,适应气源中氢气比例在0%~20%的范围变化。同时,确定了富氢天然气就绪方案的界限气简化规则。

 

一、写在前面

 

现阶段,将纯氢气作为燃气灶具燃料,在输配环节以及终端应用环节仍然存在较多问题,因此在天然气中掺入体积分数不超过20%氢气而获得的富氢天然气(hydrogenenrichednaturalgas,简称HENG),其应用是技术成熟度和产业成熟度较高的领域。历史上,某些人工煤气的氢气比例较高,如焦炉煤气中氢气体积分数接近60%,数倍于富氢天然气。但是,富氢天然气应用技术完全不同于人工煤气的应用经验。

 

就富氢天然气在燃气灶具领域的应用而言,富氢天然气型燃气灶具的燃烧系统通常需要考虑允许使用天然气,而不是人工煤气燃气灶具专用的燃烧系统;更重要地,目前中国标准对人工煤气燃气灶具的耐久性要求,明显低于天然气燃具,后者的判废年限比前者长1/3,而富氢天然气燃气灶具的耐久性要求需与天然气燃具一致。欧盟是目前富氢天然气应用最为活跃的地区,与富氢天然气应用相关的一系列技术和市场准入监管课题研究,目前正在积极进行,预期在2022年底才基本完成。万和密切把握技术和市场发展趋势,2021年初已完成富氢天然气燃气灶具研究开发的前期工作,本文简要介绍万和公司在富氢天然气燃气灶具的研究和开发过程的前期试验情况。

 

二、标准要求

 

目前,适用于富氢天然气以及富氢天然气燃气灶具产品的技术标准,在国际、国家、地区层面均未正式发布,为支撑富氢天然气家用燃气灶具的开发工作,万和公司于2021年2月完成了7项富氢天然气相关企业技术标准的编制和发布,包括Q/WHXT02121-2021《富氢天然气燃气分类和基本特性》、Q/WHXT02122.1-2021《富氢天然气家用燃气具通用要求》和Q/WHXT02122.4-2021《富氢天然气家用燃气具燃气灶具的特殊要求》等。

 

富氢天然气的基本特性按企业标准确定,在GB/T13611-2018《城镇燃气分类和基本特性》中规定的12T天然气的基础上进行修订,燃气试验压力全部按GB/T13611-2018要求,而对于氢气比例为20%的富氢天然气标准气,回火界限气为35%的氢气和65%的甲烷混合气。此外,为便于实施,将12T天然气定义为氢气比例为零的特殊富氢天然气。同时,为适应富氢天然气就绪方案的实施,对富氢天然气采用的命名规则是氢气百分比+S,例如,氢气比例10%的富氢天然气代号为10S;而对于采用富氢天然气就绪方案的气源,采用的命名规则是允许最高氢气百分比+H,例如,氢气比例变化范围为0%~20%的富氢天然气,代号为20H。

 

燃气灶具的基本要求按照GB16410~2020《家用燃气灶具》规定,针对富氢天然气的特点,增加了相应的通用要求和特殊要求,分别体现在Q/WHXT02122.1-2021和Q/WHXT02122.4-2021中。例如,对于允许氢气比例在0%~20%范围内变化的型号,要求这是12T气和20%氢气的富氢天然气气源条件下,分别进行检测,同时按不利条件检测其安全性,包括燃烧稳定性等项目,热负荷等性能需按氢气比例在0和20%的条件下检测和标示,而能效等级需按不利结果标示。同时,在Q/WHXT02122.1-2021中定义了富氢就绪方案,采用该方案的燃气具,燃气适应范围是氢气比例为0%~20%。

 

产品测试方案将燃气灶具热负荷、热效率、CO、NOx及燃烧工况等均作为主要的技术指标要求,同时也用来衡量整机的技术水平;且在0-2气的条件热负荷、热效率、燃烧工况、烟气中的CO、NOx浓度按GB16410-2020的5.2.2、5.2.3和5.10条规定,及Q/WHXT02122.4-2021要求方法。

 

三、测试情况

 

本文介绍的富氢天然气测试样品规格型号为JZHCL601,利用原有使用12T天然气的型号JZT-CL601改装而成,JZH-CL601采用富氢就绪方案,即:能够适应氢气比例在0%~20%范围变化,因此,喷嘴和燃烧器等状态在基准气的参数发生变化是无需调整、变更,该产品具体信息如表1。


微信截图_20220228101716.png


测试工作按照GB16410-2020及Q/WHXT02122.4-2021试验方法进行,对整机用0-2气,热负荷和热效率测试,用富氢天然气的各种界限气分别在1000Pa、2000Pa、3000Pa,测试烟气中的CO、NOx的含量及目测火焰燃烧的状况。

 

1试验方案

 

在相同喷嘴孔径、锅支架及燃烧器的燃气灶具样机,灶前压力为2000Pa的条件用天然气(甲烷100%)和富氢天然气(甲烷80%氢气20%)2个气源分别测试热负荷和热效率。烟气中的CO、NOx含量在灶前压力为1000Pa、2000Pa、3000Pa条件下通过切换各种界限气进行测试并记录其结果,同时目测黄焰、离焰和回火的现象。

 

2试验数据

 

在额定压力条件热负荷及热效率测试结果见表2,灶前压力分别为1000Pa、2000Pa、3000Pa用界限气对黄焰、离焰和回火项目测试均未出现黄焰、离焰和回火现象,但用回火界限气(CH4=65%,H2=35%)测试在热态有明显的熄火噪声,通过调节风门可以消除。烟气中的CO、NOx的含量测试结果见表3。



通过试验数据对比显示,当相同喷嘴孔径及燃烧器不变的条件下,燃气灶具能满足两种气源的使用要求,不过相对于天然气(12T),使用富氢天然气时折算热负荷最大偏差-7.4%;而热效率方面,使用富氢天然气较高;CO排放方面,使用富氢天然气低于天然气;至于NOx排放,气源影响不大。


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