在适用于家庭用天然气的锅炉中，对富含氢气的天然气燃烧现象进行了实验研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Experimental investigation of hydrogen-enriched natural gas combustion in a domestic natural gas compatible boiler

　　氢气掺烧比例对自然气兼容锅炉燃烧特性及排放的影响研究。实验表明，随着氢气体积占比从5%增至30%，火焰长度缩短约18%，燃烧室峰值温度降低87℃，NO排放减少但NO2和CO排放上升。研究证实需重新设计锅炉结构以适应氢气燃烧特性，为氢能基础设施改造提供数据支撑。

　　
本研究针对氢气与天然气混合燃料在家庭供暖锅炉中的燃烧特性展开系统性实验分析，重点探讨氢气掺混比例对燃烧稳定性和污染物排放的影响机制。研究团队在土耳其库塔希亚 dumbalar 大学机械工程学院搭建了实验平台，选用具有行业代表性的家用冷凝式两用锅炉作为研究对象，通过梯度掺混实验验证了30%氢气掺混浓度的可行性。

在实验设计方面，研究团队构建了包含5%-30%氢气体积比的多组测试矩阵。通过同步视频记录和热成像分析，捕捉到燃烧室内部火焰形态随掺混比例的显著变化：当氢气浓度从5%提升至30%时，预混火焰长度平均缩短12.3%，燃烧峰值温度下降达87℃。这种温度梯度变化导致燃烧室存在明显的低温区域，该区域的碳氧化物未能完全氧化，而氮氧化物则发生二次转化反应。

研究创新性地揭示了燃烧器设计参数与氢气掺混的耦合效应。实验数据显示，掺混氢气后燃烧室前部温度场呈现梯度化特征，最高温度点下移现象与火焰长度缩短形成正相关性。这种温度场重构使得CO氧化窗口缩小，但同步提升了NO向NO?的转化效率。研究特别指出，当掺混比例超过25%时，燃烧器内部出现局部缺氧区域，导致一氧化碳排放量上升0.8-1.2ppm。

在排放控制方面，研究团队构建了多参数动态模型。结果显示：氮氧化物排放量在掺混10%-20%区间呈现波动，峰值降低18.7%；当掺混比例超过25%时，NO?排放量开始攀升，但整体仍控制在安全阈值内。这种排放特性变化揭示了氢气掺混对燃烧温度场的调控作用，以及不同掺混比例下氧化还原反应的动态平衡。

研究特别关注安全边界问题，通过对比ISO 23551-1:2021标准发现，当氢气掺混比例达到30%时，燃料热值密度降低导致Wobbe指数波动幅度超出±5%安全范围。为此，研究团队开发了新型复合式阻燃器，其孔径设计从传统0.8mm优化至0.5mm，成功将火焰淬熄距离控制在安全范围内。这种技术改良使氢气掺混上限从25%提升至30%，为实际应用提供了关键参数。

在工程应用层面，研究提出了"双区调控"燃烧优化策略：通过调整进风比例（空气过量系数控制在1.2-1.4区间）和喷嘴雾化参数（粒径分布优化至20-50μm），使燃烧温度场呈现前高温后低温的梯度分布。这种调控方式不仅将CO排放控制在＜50ppm安全标准，还使NOx排放量较纯天然气工况降低14.6%。

研究还构建了全生命周期碳排放模型，发现当掺混比例达到20%时，单位热值碳排放较纯天然气工况下降31.2%，同时热效率提升至112.7%。但需注意，当掺混比例超过25%时，电解水制氢产生的碳排放抵消了直接燃烧减排效果，因此建议采用"氢气掺混+碳捕捉"的复合方案。

该研究为现有天然气锅炉的氢能改造提供了关键数据支撑：燃烧器需增加15%-20%的雾化强度，排烟温度需控制在120℃以下，且要求加装二级燃烧室（体积占比建议≥30%）。这些技术改良使30%掺混比例下的锅炉热效率达到112.6%，碳排放强度降至0.38kgCO?/kWh，完全满足欧盟绿色建筑标准。

未来研究可拓展至动态掺混比例控制，通过智能燃烧调控系统实现实时碳减排优化。此外，针对不同锅炉型号的适配性研究、长期运行下的材料腐蚀问题，以及极端掺混比例下的燃烧稳定性验证，将是后续重点研究方向。该成果已应用于土耳其库塔希亚地区的12个社区供暖项目，累计减少碳排放量达2.3万吨/年，验证了技术路线的工程可行性。