《ACS Omega》：Experimental Investigation of Flame and Emission Characteristics of Hydrogen-Enriched Natural Gas Mixtures─An Innovative Approach for India’s City Gas Distribution Network
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氢气-天然气(H2-NG)掺混被证明是印度城市燃气配送(City Gas Distribution, CGD)管网脱碳的可行途径。研究人员搭建了包含高压储氢、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)、质量流量控制
氢气-天然气(H2-NG)掺混被证明是印度城市燃气配送(City Gas Distribution, CGD)管网脱碳的可行途径。研究人员搭建了包含高压储氢、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)、质量流量控制器(Mass Flow Controller, MFC)、静态气体混合器、烃类过滤器和吸湿器以及模拟印度CGD基础设施的多材质管道（镀锌铁管、中密度聚乙烯管及碳钢管）的全尺寸实验平台，以研究CGD模拟工况下的火焰结构、热效率、热通量、耗气量及运行稳定性。实验采用甲烷中掺混0–30%体积分数氢气的混合气。随氢气掺混比例增加，火焰由典型甲烷蓝色逐渐转变为蓝紫色高温轮廓；氢气掺混至25%时火焰仍保持稳定且无回火或失稳，30%时出现轻微不稳定。最高热通量(22,489–22,763 W/m2)出现在18–25%掺氢比，表明加热时间缩短且燃烧速率加快。排放分析显示一氧化碳(Carbon Monoxide, CO)由112 ppm持续降至38 ppm，二氧化碳(Carbon Dioxide, CO2)由8.9%降至6.1%。此外，0–30%氢气(H2)掺混导致因火焰温度升高而使得氮氧化物(Nitrogen Oxides, NOx)生成量增加。25%掺氢混合气在较高热通量、均匀火焰几何形状、较低耗气量方面表现最优，同时达到最高热效率(12.6%)。研究结果表明，18–25%掺氢范围是家用灶具在CGD系统中的最佳掺混区间，具有更优燃烧效率、更低排放强度，且可确认掺氢天然气是印度CGD基础设施短期脱碳措施的可行方案。
《ACS Omega》刊载的该研究针对印度城市燃气配送(City Gas Distribution, CGD)管网低碳化转型需求，探讨将氢气(Hydrogen, H2)掺入天然气管网作为短期脱碳手段的可行性。现有研究多关注发动机或高压燃烧器中的掺氢天然气(Hydrogen?enriched Natural Gas, H2NG)行为，缺乏低压家用灶具系统中0–30%全掺氢梯度下的实时排放与火焰可视化实验数据，尤其缺少针对印度CGD管材（镀锌铁Galvanized Iron, GI、中密度聚乙烯Medium?Density Polyethylene, MDPE、碳钢）及家用灶具设计的专项研究。为此，研究人员搭建模拟印度CGD真实工况的全尺寸实验测试平台，系统考察不同体积分数H2（0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%）对预混家用燃气灶火焰特性（颜色、长度、亮度、稳定性）、热工性能（加热时间、热效率Thermal Efficiency, η、热通量Heat Flux, q"、耗气量）及排放（CO、CO2、NOx）的影响，计算各掺混比的华白指数(Wobbe Index, WI)以评估燃料互换性，最终确定兼顾燃烧效率、排放削减与管网兼容性的最优掺氢窗口。
为开展本研究，研究人员采用的关键技术方法如下：使用纯度99.99%压缩H2与主要成分为CH4（约99.99%）的天然气(Natural Gas, NG)，通过经NIST可追溯校准的Alicat MC系列质量流量控制器(MFC)按体积比配制0–30% H2?NG混合气；混合气经静态螺旋挡板混合器充分混合后储存于16 L储罐，减压至PNGRB规定的21–24 mbar供往连接GI/MDPE/碳钢管的家用预混燃烧器；在通风橱内固定相机参数（ISO 3200、快门 1/1200 s、色温5500 K、距火焰50 cm）采集火焰图像；以10 SLPM恒定总体积流量、环境温度25–35 ℃条件下进行1 L去离子水加热实验记录升温至70 ℃所需时间；用便携电化学烟气分析仪(ATS 103M)测定稳态下CO与NOx，CO2通过已知CH4分数作碳平衡计算；按组分加权计算混合气高热值(Higher Heating Value, HHV)、低热值(Lower Heating Value, LHV)及WI＝HVmix/√(SGmix)；热效率η＝Qout/Qin×100%，热通量q"＝Qout/(A·t)；所有掺氢比重复三次(n=3)取均值并作统计验证。
3.1. 火焰特性(Flame Characteristics)
通过目视与图像记录发现：H2＜10%时火焰接近纯NG的深蓝带内/外锥，5%出现淡紫蓝调，10%呈蓝紫带微量橙黄条纹且火焰略伸长，15%为苍蓝紫、亮度降低、无 soot，20%近透明蓝紫、火焰拉长，25%苍蓝紫、稍短于20%、亮度极低且稳定，30%均匀淡蓝紫、很短但微不稳。随H2增加火焰逐渐缩短、亮度下降、黄色碳粒发光消失，表明层流火焰速度提高、soot前驱体被抑制、燃烧更完全。火焰视觉上的soot减少与CO/CO2下降及NOx在＞20% H2上升相吻合，确认20–25% H2可实现低炭高效燃烧。
3.2. 热值与华白指数(Heating Values and Wobbe Index)
混合气HHV与LHV随H2增加而微降（H2体积能量密度低于NG），但WI缓慢下降且在≤25% H2时仍处于可接受互换范围内，说明该掺氢水平不损害灶具兼容性。
3.3. 实测排放特性(Measured Emission Characteristics)
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3.3.1. 一氧化碳(CO)：CO从0% H2时112 ppm单调降至25% H2时38 ppm，反映H2提升火焰反应性与氧化完整性从而减少不完全燃烧产物。
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3.3.2. 二氧化碳(CO2)：基于碳平衡计算的CO2由8.9%（0% H2）阶梯降至6.1%（30% H2），直接源于CH4被无碳H2替代导致输入碳量减少。
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3.3.3. 氮氧化物(NOx)：NOx由52 ppm（0% H2）升至98 ppm（30% H2），因H2提高绝热火焰温度与局部峰值温度促进热力型NOx生成，但全掺混范围未超出家用燃气灶典型限值(100–150 ppm)。
3.4. 燃料消耗与效率(Fuel Consumption and Efficiency)
H2掺混改善火焰稳定性允许更贫燃尽，25% H2掺混在火焰稳定、低CO/CO2排放与适中NOx间取得最佳平衡。
3.5. 基础设施兼容性(Infrastructure Compatibility)
≤25% H2掺混与现有NG管网及终端器具兼容；≥20%可能需微调喷嘴与安全监测，但未观测到回火或吹脱。
4.1. 不同H2掺混百分比下的加热时间(Heating Time at Varying H2Blend %)
纯CH4基线加热时间140.94 s；5–10% H2因体积热值下降加热时间暂时延长（最高约259.8 s at 10%），15%后燃烧强化效应占主导，18%起显著缩短，25% H2达最短161.79 s（较基线缩短约12.6%），30% H2因过贫燃与火焰微失稳加热时间剧增至322.94 s。表明存低掺氢"热值主导区"与中掺氢"燃烧强化主导区"的非单调转变，最优热工窗口为18–25%。
4.2. 重复性与统计验证(Repeatability and Statistical Validation)
三重复测得变异系数CV＜1%（0.37–0.77%），标准偏差约±1 s，非单调波动可重现且信号远大于测量噪声，确证18–25% H2为真实最优区间。
4.3. 热效率分析(Thermal Efficiency Analysis)
相对热效率（本实验未隔热的开放体系下同条件对比值）纯CH4约7.4%，10% H2略降，15–25% H2急剧升至峰值12.6% at 25% H2（较基线增约70%），＞25%回落。绝对值偏低系因无保温容器、敞开燃烧室对流辐射损失及固定非优化锅距，但不影响掺氢比间相对趋势判断。
4.5. 华白指数计算(Wobbe Index Calculation)
计算得WI：0% H2＝53.49 MJ/m3（略高于PNGRB上限），15% H2＝51.82 MJ/m3，20%＝50.05 MJ/m3，25%＝50.17 MJ/m3，30%＝49.16 MJ/m3。≥15% H2掺混满足PNGRB(48–52 MJ/m3)，15–25%同时满足BIS IS 15323:2022(49–51.5 MJ/m3)。掺H2修正了纯NG WI偏高问题，增强燃料互换性。
4.6. 耗气量分析(Gas Consumption Analysis)
纯CH4耗气28.09 L，10–18% H2逐步降至最低（约12%节能），因高H2层流火焰速度与低比重促进快速混合释放；30% H2耗气回升至约33.6 L（火焰抬举接触差）。
4.7. 热通量分析(Heat Flux Analysis)
热通量15–25% H2显著升高至峰值22,763 W/m2（18–25%区间22,489–22,763 W/m2），归因于H2高热扩散率与高温强化传热；30% H2降至约10,937 W/m2对应火焰不稳。
讨论与结论总结：
研究人员通过多变量优化确认18–25% H2（最佳点25%）为印度CGD家用灶具掺氢天然气推荐运行区间：此区间内火焰稳定无回火、热通量最大(22,489–22,763 W/m2)、加热时间最短(161.8 s)、热效率相对提升约70%(达12.6%)、耗气降低约12%、CO降至38 ppm、CO2降至6.1%、NOx适度升至93 ppm（仍在常规限值内），且WI符合PNGRB与BIS标准。纯NG WI略高于规范上限，H2掺混可将其修正至合规范围。低掺氢(＜10%)因体积热值降低短暂劣化加热性能，中掺氢(15–25%)燃烧强化超越热值损失带来净收益，高掺氢(30%)因过贫燃致火焰微不稳与热传递恶化。Wobbe指数计算与火焰可视化分别佐证燃料互换可行性与完全燃烧 regime。研究结论为：体积掺氢≤25%可安全用于现有印度CGD家用燃烧器设计，18–25% H2是热效率、火焰稳定性与燃料互换性的最佳平衡区间，为利用既有基础设施短期脱碳CGD行业提供技术依据。
