氫能作為一種清潔、高能的二次能源，可以將氣、電、熱等能源網(wǎng)絡(luò)有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。氫能將成為未來(lái)能源體系的重要組成部分，預(yù)計(jì)到2050年，氫能在全球終端能源的占比將達(dá)到18%，在我國(guó)終端能源體系占比將達(dá)到10%以上。2019年3月5日，國(guó)家發(fā)改委印發(fā)的《綠色產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)目錄（2019 年版）》，將“氫摻入天然氣管道等設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)”列入其中。

氫氣與天然氣相比，污染更小，不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體。但目前氫氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施不完善，利用天然氣管道混輸氫氣，不僅有利于減少溫室氣體的排放，燃燒產(chǎn)物也更為清潔，在降低天然氣企業(yè)減排成本的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)氫氣的低成本遠(yuǎn)距離輸送，增強(qiáng)氫氣生產(chǎn)企業(yè)的調(diào)配效率。在摻氫比例滿(mǎn)足燃?xì)饣Q性的要求下，終端用戶(hù)也無(wú)需更換燃具燃燒器，不會(huì)增加額外的更換成本。然而由于氫氣燃燒性質(zhì)與天然氣不同，氫的摻入會(huì)使點(diǎn)火能量和熱值降低，可燃范圍和爆炸極限范圍增大。因此本文主要研究了摻入不同比例氫氣對(duì)居民用戶(hù)、商業(yè)用戶(hù)、供暖用戶(hù)、電廠以及一些特殊用戶(hù)燃燒器的燃燒性能的影響。

燃?xì)庥脩?hù)類(lèi)型

以北京市為例，目前天然氣在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比為34%，天然氣供暖面積占全市供暖面積的80%以上。

北京市天然氣用戶(hù)種類(lèi)多，目前天然氣燃燒設(shè)備主要包括居民用戶(hù)的灶具、供暖熱水爐、熱水器，商業(yè)用戶(hù)的大鍋灶，供暖用戶(hù)的鍋爐，電廠用戶(hù)的燃?xì)廨啓C(jī)。此外，CNG加氣母站利用壓縮機(jī)將管道天然氣加壓后供給用戶(hù)；天然氣液化工廠將管道天然氣凈化處理后送至冷箱液化，供給LNG用戶(hù)。不同種類(lèi)用戶(hù)對(duì)于燃?xì)獾臒嶂?、連續(xù)性以及氫敏感性均有所差異，在進(jìn)行管道天然氣摻氫時(shí)，應(yīng)分別予以考慮。

天然氣摻氫互換性計(jì)算

根據(jù)GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸?lèi)和基本特性》，主要依據(jù)高華白數(shù)和高熱值對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)膺M(jìn)行分類(lèi)。本文選取北京市某門(mén)站氣源作為基礎(chǔ)氣進(jìn)行互換性計(jì)算，以12T天然氣的高華白數(shù)和高熱值范圍作為摻氫后互換性的評(píng)判依據(jù)，從而確定天然氣的最大摻氫比例。摻氫比例指混合氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù)。

3.1  熱值與華白數(shù)

3.2  不同摻氫比例對(duì)互換性的影響

根據(jù)GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸?lèi)和基本特性》，12T天然氣的特性指標(biāo)見(jiàn)表1。本文主要以表2中北京市某門(mén)站氣源為基礎(chǔ)氣進(jìn)行分析和試驗(yàn)。根據(jù)式（1）、（2）計(jì)算得到不同摻氫比例時(shí)混合氣的高華白數(shù)和高熱值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪圖得到試驗(yàn)氣高華白數(shù)和高熱值與摻氫比例的關(guān)系，同時(shí)根據(jù)12T天然氣的指標(biāo)范圍，確定可接受的摻氫比例，見(jiàn)圖1、2。圖1、2中紅色虛線(xiàn)框?qū)?yīng)12T天然氣的指標(biāo)范圍。

表1   12T天然氣的特性指標(biāo)

表2   試驗(yàn)氣的性質(zhì)

圖1   試驗(yàn)氣高熱值與摻氫比例的關(guān)系

圖2   試驗(yàn)氣高華白數(shù)與摻氫比例的關(guān)系

從圖1、2可以看出，試驗(yàn)氣滿(mǎn)足12T天然氣高熱值范圍的最大摻氫比例為23%，滿(mǎn)足12T天然氣高華白數(shù)的最大摻氫比例為42%。只有高熱值與高華白數(shù)均滿(mǎn)足要求，才認(rèn)為試驗(yàn)氣理論上可與12T天然氣互換。即摻氫比例小于等于23%的試驗(yàn)氣理論上可與12T天然氣互換。

 居民用戶(hù)及商業(yè)用戶(hù)燃燒設(shè)備摻氫比例

早在大唐煤制氣（組成見(jiàn)表3）引入北京時(shí)，我們就對(duì)大唐煤制氣摻氫對(duì)居民用戶(hù)和商業(yè)用戶(hù)燃燒設(shè)備燃燒性能的影響進(jìn)行了研究。選取當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上完全預(yù)混和部分預(yù)混的主流燃燒設(shè)備，試驗(yàn)測(cè)試了不同摻氫比例（氫氣體積分?jǐn)?shù)為0~60%）對(duì)燃燒設(shè)備燃燒性能的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，居民用戶(hù)和商業(yè)用戶(hù)燃燒設(shè)備對(duì)燃?xì)鉄嶂导肮?yīng)連續(xù)性要求不高，對(duì)氫的敏感性較弱，且摻氫后污染物排放有不同程度的減少。以摻氫比例為5%為例，與不摻氫氣相比，各燃燒設(shè)備污染物排放情況見(jiàn)表4。

表3   大唐煤制氣組成

表4   摻氫比例為5%時(shí)各燃燒設(shè)備污染物排放情況

試驗(yàn)研究得出如下結(jié)果：

①當(dāng)摻氫比例約為50%時(shí)，燃?xì)馊紵俣扔兴龃螅煽朔蛱烊粴饣鹧孳浂绊憻嵝蔬@一缺點(diǎn)，可以提高燃燒器的加熱效率。但是，燃燒噪聲也會(huì)變大，甚至發(fā)生回火。

燃具類(lèi)型燃燒器類(lèi)型額定熱負(fù)荷/kW實(shí)測(cè)熱負(fù)荷/kW與不摻氫氣相比，污染物排放情況

家用燃?xì)庠钔耆A(yù)混燃燒器3.53.5CO降低15%，NOx基本不變部分預(yù)混燃燒器3.43.3CO降低16%，NOx降低14%

②不同燃具類(lèi)型燃燒器，出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的摻氫比例存在差異。在家用燃?xì)庠睢⑷細(xì)鉄崴?、燃?xì)夤┡療崴疇t、燃?xì)獯箦佋钪校細(xì)獯箦佋顚?duì)氫最為敏感，出現(xiàn)異響的摻氫比例為16%，出現(xiàn)回火的摻氫比例為17%。

③隨著摻氫比例不斷增大，主要污染物CO和NOx的體積分?jǐn)?shù)均存在一定程度的降低，有較好的環(huán)境效應(yīng)。

④綜合互換性計(jì)算與試驗(yàn)研究結(jié)果可知，16%的摻氫比例不會(huì)對(duì)目前的居民用戶(hù)及商業(yè)用戶(hù)燃燒設(shè)備產(chǎn)生顯著影響。

供暖用戶(hù)燃燒設(shè)備摻氫比例

目前北京市供暖用氣占比較大，供暖用戶(hù)是天然氣的重要使用單位，因此天然氣摻氫也需重點(diǎn)考慮供暖用戶(hù)的情況。2019年，國(guó)家電投集團(tuán)在朝陽(yáng)市的摻氫示范項(xiàng)目（摻氫比例為10%），驗(yàn)證示范了氫氣“制取—儲(chǔ)運(yùn)—摻混—綜合利用”產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)，其中重要的一環(huán)就是在鍋爐等終端利用設(shè)備使用。根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）對(duì)天然氣價(jià)值鏈各環(huán)節(jié)允許的最大摻氫比例的闡述可知，鍋爐的最大摻氫比例為30%。英國(guó)HyDeploy摻氫示范項(xiàng)目的摻氫比例達(dá)20%［4］，測(cè)試的設(shè)備包括燃?xì)忮仩t，測(cè)試結(jié)果表明，所測(cè)試的各種設(shè)備均能在該摻氫比例下安全運(yùn)行。

燃?xì)廨啓C(jī)等特殊燃燒設(shè)備摻氫比例

截至2020年底，北京市共運(yùn)行14座電廠，燃?xì)廨啓C(jī)主要來(lái)自于三菱、西門(mén)子、GE公司。西門(mén)子的燃?xì)廨啓C(jī)要求摻氫比例小于1%，三菱和GE的燃?xì)廨啓C(jī)要求摻氫比例小于3%。當(dāng)摻氫比例過(guò)高時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的非耐火部件會(huì)損壞，氫氣燃燒擴(kuò)散速度快，火焰更靠近燃燒器，容易導(dǎo)致燃燒器超溫、熔損。摻氫比例控制不穩(wěn)定，會(huì)引起華白數(shù)頻繁波動(dòng)，可能引起燃?xì)廨啓C(jī)燃燒脈動(dòng)異常，造成燃燒系統(tǒng)部件損壞。但有國(guó)外學(xué)者認(rèn)為，經(jīng)過(guò)整改和調(diào)整的燃?xì)廨啓C(jī)一般能適應(yīng)5%~10%的摻氫比例。

目前，北京市共運(yùn)行11座CNG加氣母站，主要供氣來(lái)源為次高壓管網(wǎng)。根據(jù)文獻(xiàn)［5-6］，壓縮機(jī)對(duì)氫較為敏感，要求的摻氫比例較小。北京燃?xì)饧瘓F(tuán)建設(shè)的西集天然氣液化工廠，緊鄰西集門(mén)站，為4 MPa高壓氣源，液化工廠的冷箱要求天然氣不能含有氫氣，一旦混入氫氣，無(wú)法將其脫除。

綜合分析，建議在不進(jìn)行改造的情況下，供給電廠、CNG加氣母站、天然氣液化工廠的天然氣避免摻氫。

結(jié)論

①只有高熱值與高華白數(shù)均滿(mǎn)足12T天然氣的指標(biāo)范圍，才認(rèn)為試驗(yàn)氣（摻氫后的天然氣）理論上可與12T天然氣互換。計(jì)算得出，摻氫比例小于等于23%的試驗(yàn)氣理論上可與12T天然氣互換。

②綜合互換性計(jì)算與試驗(yàn)研究結(jié)果及示范項(xiàng)目可知，10%的摻氫比例不會(huì)對(duì)居民用戶(hù)燃燒設(shè)備產(chǎn)生顯著影響。隨著摻氫比例不斷增大，主要污染物排放均存在一定程度的降低。

③城市燃?xì)庥脩?hù)中供暖用戶(hù)用氣量占比較大，且居民用戶(hù)、商業(yè)用戶(hù)燃燒設(shè)備更新?lián)Q代快，建議對(duì)摻氫對(duì)這些用戶(hù)燃燒設(shè)備燃燒性能的影響進(jìn)行系統(tǒng)性研究。

④電廠的燃?xì)廨啓C(jī)、CNG加氣母站的壓縮機(jī)、天然氣液化工廠的冷箱對(duì)氫敏感性強(qiáng)，目前可接受的摻氫比例較低，建議避免向此類(lèi)用戶(hù)的氣源摻氫。隨著技術(shù)的發(fā)展以及工藝的改進(jìn)，未來(lái)也存在向此類(lèi)用戶(hù)摻氫的可能性。

（作者：?jiǎn)碳?，閆松，郭保玲，馬旭卿，程韋豪；第一作者單位：北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院；摘自《煤氣與熱力》2022年8月刊）