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)絡有機聯(lián)系起來，實現(xiàn)能量的雙向流動。氫能將成為未來能源體系的重要組成部分，預計到2050年，氫能在全球終端能源的占比將達到18%，在我國終端能源體系占比將達到10%以上。2019年3月5日，國家發(fā)改委印發(fā)的《綠色產(chǎn)業(yè)指導目錄（2019 年版）》，將“氫摻入天然氣管道等設施的建設和運營”列入其中。

氫氣與天然氣相比，污染更小，不會產(chǎn)生溫室氣體。但目前氫氣儲運設施不完善，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，還可以實現(xiàn)氫氣的低成本遠距離輸送，增強氫氣生產(chǎn)企業(yè)的調(diào)配效率。在摻氫比例滿足燃氣互換性的要求下，終端用戶也無需更換燃具燃燒器，不會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，氫的摻入會使點火能量和熱值降低，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居民用戶、商業(yè)用戶、供暖用戶、電廠以及一些特殊用戶燃燒器的燃燒性能的影響。

燃氣用戶類型

以北京市為例，目前天然氣在能源消費結構中占比為34%，天然氣供暖面積占全市供暖面積的80%以上。

北京市天然氣用戶種類多，目前天然氣燃燒設備主要包括居民用戶的灶具、供暖熱水爐、熱水器，商業(yè)用戶的大鍋灶，供暖用戶的鍋爐，電廠用戶的燃氣輪機。此外，CNG加氣母站利用壓縮機將管道天然氣加壓后供給用戶；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。不同種類用戶對于燃氣的熱值、連續(xù)性以及氫敏感性均有所差異，在進行管道天然氣摻氫時，應分別予以考慮。

天然氣摻氫互換性計算

根據(jù)GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》，主要依據(jù)高華白數(shù)和高熱值對城鎮(zhèn)燃氣進行分類。本文選取北京市某門站氣源作為基礎氣進行互換性計算，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數(shù)。

3.1  熱值與華白數(shù)

3.2  不同摻氫比例對互換性的影響

根據(jù)GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》，12T天然氣的特性指標見表1。本文主要以表2中北京市某門站氣源為基礎氣進行分析和試驗。根據(jù)式（1）、（2）計算得到不同摻氫比例時混合氣的高華白數(shù)和高熱值，根據(jù)計算結果繪圖得到試驗氣高華白數(shù)和高熱值與摻氫比例的關系，同時根據(jù)12T天然氣的指標范圍，確定可接受的摻氫比例，見圖1、2。圖1、2中紅色虛線框對應12T天然氣的指標范圍。

表1   12T天然氣的特性指標

表2   試驗氣的性質(zhì)

圖1   試驗氣高熱值與摻氫比例的關系

圖2   試驗氣高華白數(shù)與摻氫比例的關系

從圖1、2可以看出，試驗氣滿足12T天然氣高熱值范圍的最大摻氫比例為23%，滿足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)均滿足要求，才認為試驗氣理論上可與12T天然氣互換。即摻氫比例小于等于23%的試驗氣理論上可與12T天然氣互換。

 居民用戶及商業(yè)用戶燃燒設備摻氫比例

早在大唐煤制氣（組成見表3）引入北京時，我們就對大唐煤制氣摻氫對居民用戶和商業(yè)用戶燃燒設備燃燒性能的影響進行了研究。選取當時市場上完全預混和部分預混的主流燃燒設備，試驗測試了不同摻氫比例（氫氣體積分數(shù)為0~60%）對燃燒設備燃燒性能的影響。試驗發(fā)現(xiàn)，居民用戶和商業(yè)用戶燃燒設備對燃氣熱值及供應連續(xù)性要求不高，對氫的敏感性較弱，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，各燃燒設備污染物排放情況見表4。

表3   大唐煤制氣組成

表4   摻氫比例為5%時各燃燒設備污染物排放情況

試驗研究得出如下結果：

①當摻氫比例約為50%時，燃氣燃燒速度有所增大，可克服因天然氣火焰軟而影響熱效率這一缺點，可以提高燃燒器的加熱效率。但是，燃燒噪聲也會變大，甚至發(fā)生回火。

燃具類型燃燒器類型額定熱負荷/kW實測熱負荷/kW與不摻氫氣相比，污染物排放情況

家用燃氣灶完全預混燃燒器3.53.5CO降低15%，NOx基本不變部分預混燃燒器3.43.3CO降低16%，NOx降低14%

②不同燃具類型燃燒器，出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的摻氫比例存在差異。在家用燃氣灶、燃氣熱水器、燃氣供暖熱水爐、燃氣大鍋灶中，燃氣大鍋灶對氫最為敏感，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的體積分數(shù)均存在一定程度的降低，有較好的環(huán)境效應。

④綜合互換性計算與試驗研究結果可知，16%的摻氫比例不會對目前的居民用戶及商業(yè)用戶燃燒設備產(chǎn)生顯著影響。

供暖用戶燃燒設備摻氫比例

目前北京市供暖用氣占比較大，供暖用戶是天然氣的重要使用單位，因此天然氣摻氫也需重點考慮供暖用戶的情況。2019年，國家電投集團在朝陽市的摻氫示范項目（摻氫比例為10%），驗證示范了氫氣“制取—儲運—摻混—綜合利用”產(chǎn)業(yè)鏈關鍵技術，其中重要的一環(huán)就是在鍋爐等終端利用設備使用。根據(jù)國際能源署（IEA）對天然氣價值鏈各環(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HyDeploy摻氫示范項目的摻氫比例達20%［4］，測試的設備包括燃氣鍋爐，測試結果表明，所測試的各種設備均能在該摻氫比例下安全運行。

燃氣輪機等特殊燃燒設備摻氫比例

截至2020年底，北京市共運行14座電廠，燃氣輪機主要來自于三菱、西門子、GE公司。西門子的燃氣輪機要求摻氫比例小于1%，三菱和GE的燃氣輪機要求摻氫比例小于3%。當摻氫比例過高時，燃氣輪機的非耐火部件會損壞，氫氣燃燒擴散速度快，火焰更靠近燃燒器，容易導致燃燒器超溫、熔損。摻氫比例控制不穩(wěn)定，會引起華白數(shù)頻繁波動，可能引起燃氣輪機燃燒脈動異常，造成燃燒系統(tǒng)部件損壞。但有國外學者認為，經(jīng)過整改和調(diào)整的燃氣輪機一般能適應5%~10%的摻氫比例。

目前，北京市共運行11座CNG加氣母站，主要供氣來源為次高壓管網(wǎng)。根據(jù)文獻［5-6］，壓縮機對氫較為敏感，要求的摻氫比例較小。北京燃氣集團建設的西集天然氣液化工廠，緊鄰西集門站，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，無法將其脫除。

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

結論

①只有高熱值與高華白數(shù)均滿足12T天然氣的指標范圍，才認為試驗氣（摻氫后的天然氣）理論上可與12T天然氣互換。計算得出，摻氫比例小于等于23%的試驗氣理論上可與12T天然氣互換。

②綜合互換性計算與試驗研究結果及示范項目可知，10%的摻氫比例不會對居民用戶燃燒設備產(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城市燃氣用戶中供暖用戶用氣量占比較大，且居民用戶、商業(yè)用戶燃燒設備更新?lián)Q代快，建議對摻氫對這些用戶燃燒設備燃燒性能的影響進行系統(tǒng)性研究。

④電廠的燃氣輪機、CNG加氣母站的壓縮機、天然氣液化工廠的冷箱對氫敏感性強，目前可接受的摻氫比例較低，建議避免向此類用戶的氣源摻氫。隨著技術的發(fā)展以及工藝的改進，未來也存在向此類用戶摻氫的可能性。

（作者：喬佳，閆松，郭保玲，馬旭卿，程韋豪；第一作者單位：北京市燃氣集團研究院；摘自《煤氣與熱力》2022年8月刊）