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【论文精选】天然气掺氢技术应用现状与分析

时间：2021-10-16 来源：浏览：

【论文精选】天然气掺氢技术应用现状与分析

原创王洪建，等煤气与热力杂志

煤气与热力杂志

微信号 GAS-HEAT1978

功能介绍《煤气与热力》始于1978年，创刊于1981年，中国核心期刊，中国土木工程学会燃气分会会刊。筛选燃气供热行业最有价值的技术信息，新闻分类整理、政策标准、热点讨论、投稿查询、论文检索、写作指导、编委风采、精品会议……

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作者：王洪建，熊思江，张晓瑞，王沐，孙明烨，王卓群，吴荣，福鹏

第一作者单位：北京市煤气热力工程设计院有限公司

摘自《煤气与热力》2021年10月刊

天然气掺氢技术是未来天然气行业发展的重要方向之一，也成为美国、德国、法国等国家重点发展的氢能技术。本文中所有掺氢比例均指氢气占混合气体的体积分数。

1 掺氢天然气输送技术

①已开展的相关示范项目

掺氢天然气管道输送方面的研究比较多，研究内容包括掺氢天然气对终端用户的影响 ^［ ^1-2 ^］、管材性能劣化规律 ^［ ³ ^］、完整性管理与风险评价、泄漏监测、终端氢气提纯 ^［ ⁴ ^］等。

目前，已经开展的相关示范项目主要集中在城市燃气管道方面。荷兰、法国、德国、英国、澳大利亚等国家开展了多项管道天然气掺氢示范工程。 2008 — 2011 年，荷兰在 Ameland 岛开展将风电氢掺入当地天然气管网的示范项目，其中 2010 年年均掺氢比例高达 12% 。 2014 年，法国开展了为期 5 年的“ GRHYD ”掺氢天然气应用示范，除将风电氢以体积分数低于 20% 的比例注入天然气管网外 ^［ ⁵ ^］，还将掺氢比例为 6% ～ 20% 的掺氢天然气通过压缩天然气加气站供 50 辆天然气大巴车使用 ^［ ⁶ ^］。 2015 年，德国在 Reitbrook 地区兴建了 1.5 MW 的可再生能源发电制气项目，将风电氢在 3 MPa 压力下注入中压天然气管网，掺氢量最大为 285 m ³ /h ^［
7 ^］。 2019 年，英国向斯塔福德郡基尔大学现有的天然气管网注入体积分数为 20% 的氢气，为 100 户家庭和 30 座教学楼供气。 2020 年，格拉德思建造澳大利亚首座注气设施，为该市的天然气管网注入体积分数为 10% 的氢气。综合来看，欧洲地区已开展的多项掺氢示范项目掺氢比例在 2%~20% ，掺氢量最大为 285 m ³ /h ，示范应用范围仅在局部范围。我国仅国家电投集团在辽宁省朝阳市建设了一个天然气掺氢示范项目，掺氢比例为 10% ，独立为一个商业用户供气。

诸多示范项目的开展为收集实际运行数据、验证试验结论提供了良好支撑，也对推广天然气管道掺氢利用起到了推动作用。但受限于示范应用的持续时间、涉及范围，仍有许多问题有待进一步研究。

②有待进一步研究的问题

a. 天然气掺氢比例有待进一步明确。我国对管输掺氢天然气中的掺氢比例尚无明确要求，仅可参考 GB/T 37124 — 2018 《进入天然气长输管道的气体质量要求》第 4.2 节规定的氢气含量（体积分数）≤ 3% ，以及 GB/T 34537 — 2017 《车用压缩氢气天然气混合燃气》第 4.1 节规定的氢气含量（体积分数）≤ 25% 等相关标准的要求。多个国家针对天然气管道中的氢含量做出了明确规定，见表 1 。诸多理论与试验研究表明，掺氢比例在 20% 以内时对管材、燃气灶具的影响很小，但缺少对压缩机、燃气轮机、调压器、阀门、大型锅炉等设备影响的相关研究，目前的示范应用也主要集中在居民用户或小型工商业用户。

表 1 各国天然气管道允许掺氢比例

b. 氢气对材料性能的影响研究不全面，目前主要集中在高压管线钢，如 X70 、 X80 钢材等。城市燃气系统管材复杂，需要明确氢气的掺入是否影响系统中的各类橡胶密封材料。

c. 天然气掺氢后的运行管理与安全防护研究滞后。目前，不论是掺氢天然气管道，还是纯氢管道，国内外基本均参照天然气管道的运行管理方式，对氢气特性的考虑不足。

2 掺氢天然气利用技术

2.1 掺氢天然气用于民用燃气领域

掺氢天然气用于居民用或商业用燃具时，需保证天然气掺混氢气后无需对燃具改造。不同国家和地区的天然气组成不同，掺氢天然气与天然气互换性判断需要具体情况具体分析。

①安全性能与排放性能要求

我国普遍使用 12T 天然气，掺氢天然气偏离 12T 天然气的波动范围应符合 GB/T 13611 — 2018 《城镇燃气分类和基本特性》中第 6 章的要求。

现行国家标准对家用燃具排放烟气中的 CO 体积分数（φ）进行了强制规定（见表 2 ），但未对 NO _x 的排放给出强制性指标。

表 2 家用燃具 CO 排放指标

②国内外研究现状

在安全适应性方面，研究主要围绕燃具在使用掺氢天然气过程中的点火特性、火焰稳定性等燃烧安全性能展开。 Devries 等 ^［ ⁸ ^］结合理论计算和试验测量，提出一种回火倾向评估方法，利用层流燃烧速度和当量比进行计算，结果能准确反映掺氢对火焰回火行为的影响，无需进行大规模的设备测试，就可以得出兼顾安全性和适用性的最大掺氢比例。罗子萱等 ^［ ¹ ^］在 12T 基准气中掺混了体积分数为 5% ～ 20% 的氢气形成混合燃气，测试发现家用燃具不做任何调整时，华白数降低 1 . 3% ～ 5 . 3% ，点火率、火焰稳定性合格。陈豪杰等 ^［ ⁹ ^］采用理论和试验相结合的方法探究掺氢比例对家用燃气灶、热水器、燃气供暖热水炉燃烧特性的影响，研究表明这 3 类燃具在 1% ～ 10% 掺氢比例范围内均未出现脱火、回火、黄焰现象，燃烧安全稳定。

在燃烧特性方面，研究主要围绕掺氢天然气在燃具内燃烧时一次空气系数、热负荷、热效率等物性参数的变化规律展开。 Choudhury 等 ^［ ¹⁰ ^］以两种典型的储水式热水器为研究对象，在可靠运行、不损失关键性能参数的情况下探讨燃烧性能影响，结果表明掺氢比例在 10% 以内，掺氢天然气的燃烧性能和热水器的可操作性基本不受影响。胡业龙等 ^［ ¹¹ ^］对烟道式燃气热水器热工性能展开实验研究与分析，结果表明在 50% 额定热负荷状态下，当掺氢比例从 0 增加到 20% 时，热效率由 87.5% 提高到 90.1% ，掺氢有效提高了燃气热水器的热效率。

在排放性能方面，出于室内安全考虑，研究主要围绕掺氢对烟气中 CO 和 NO _x 排放的影响展开。马向阳等 ^［ ¹² ^］针对掺氢天然气嵌入式灶具的烟气污染物开展了实验研究，结果表明 5 种掺氢比例下烟气中 CO 和 NO _x 含量均有所降低， NO _x 排放量与一次空气系数成反比，可以通过控制燃料和空气的比例来控制烟气中 NO _x 的含量。吴嫦 ^［ ¹³ ^］对比了 1.5 kPa 、 2 kPa 、 3 kPa 压力下天然气和掺氢天然气（掺氢比例为 5% 、 10% 、 15% 、 20% ）的燃烧工况，实验结果表明，烟气中 CO 含量随着掺氢比例增大逐渐减小，不完全燃烧减少； NO _x 排放量也随着掺氢比例增大而降低，且当一次空气系数在 0.55 ～ 0.70 范围内时， NO _x 含量出现极小值。

③存在问题及发展趋势

将掺氢天然气用于居民用户或商业用户时，提高掺氢比例提高了燃具热效率，但造成燃具热负荷降低，导致燃气消耗量上升，燃气费用增加；同时增加了室内管件发生泄漏和燃爆的风险。此外，民众对掺氢天然气认知程度较低，难以顺利接受将其作为家庭燃料 ^［ ¹⁴ ^］。

因此，需要综合考虑经济性、安全性和环保性需求，统筹制定掺氢比例和燃气费用；进一步完善室内检测手段和检测设备，提升管道完整性管理；强化掺氢天然气相关知识普及和宣传，提高终端用户接受度 ^［ ¹⁵ ^］。

2.2 掺氢天然气用于工业领域

掺氢天然气在工业领域主要用于工业锅炉及燃气轮机，国外相关项目较多，国内鲜见报道。研究表明，在天然气中掺混适量的氢气可以提高燃气轮机效率，减少 CO ₂ 排放。此外，利用工业副产氢，可以节省天然气用气量，降低燃料成本。

①排放标准

GB 13223 — 2011 《火电厂大气污染物排放标准》第 4 章规定了新建火力发电锅炉和燃气轮机组大气污染物排放浓度限值。

②国外研究现状

国外掺氢天然气用于工业领域的研究主要从安全适应性、燃烧特性、排放性能等方面展开。在安全适应性方面，欧盟 NATURALHY 项目 ^［ ¹⁶ ^］于 2004 — 2009 年通过大范围实验研究了工业掺氢天然气的泄漏和爆炸行为，结果表明掺氢天然气的聚积性、泄漏特性与天然气类似，掺氢会增大天然气爆炸的严重性，但是 20% 以内的掺氢比例影响可忽略不计。

在燃烧特性方面，日本三菱日立动力系统有限公司（ MHPS ） ^［ ¹⁷ ^］于 2018 年参加日本新能源产业技术综合开发机构项目，自主研制了干式低 NO _x （ DLN ）燃烧器，并开展了掺氢天然气大型燃气轮机测试。该测试在 J 系列燃气轮机预混式燃烧器中进行，掺氢比例为 30% ，涡轮机入口温度为 1 600 ℃，能够产生 700 MW 输出。结果表明，该燃烧器能实现掺氢天然气的稳定燃烧，发电效率在 63% 以上， NO _x 排放满足排放要求， CO ₂ 排放量比天然气发电降低了 10% ，电厂其他设备可以不进行改造，减少了电厂改造的成本。

在排放性能方面，不同于居民和商业用燃气领域关注掺氢天然气烟气中 CO 和 NO _x 的排放，在工业领域和车用燃料领域，掺氢天然气与天然气相比的最大优势是可以降低碳排放，故在其排放性能方面更关注 CO ₂ 和 NO _x 的变化规律。 Peantong 等 ^［ ¹⁸ ^］于 2017 年对比使用了天然气模式和混氢模式锅炉，测量不同掺氢比例下烟气中的 CO ₂ 、 NO _x 浓度，通过成本计算模型得到总消耗，结果表明，向工业锅炉燃料天然气中掺混氢气可以降低成本，减少由于锅炉燃烧释放到空气中的 CO ₂ 和 NO _x 。日本 Kozaika 工厂于 2009 年开始使用以掺氢天然气为燃料的烟管锅炉，有效利用化学生产副产氢，每年节省 109 × 10 ⁴ m ³ 天然气，减少 2 500 t CO ₂ 排放量 ^［ ¹⁹ ^］。 Kumma 等 ^［ ²⁰ ^］于 2019 年对比了发动机在分别使用掺氢天然气和柴油运行时的 NO _x 排放量，结果表明，使用掺氢天然气的 NO _x 排放量降低了 12.78% 。 Park 等 ^［ ²¹ ^］测试了掺氢天然气发动机的 NO _x 排放，发现其平均 NO _x 排放量在 2.6 g/ （ kW · h ）左右。 Khodamrezaee 等 ^［ ²² ^］验证了掺氢天然气发动机的排放数据，掺入体积分数为 15% 的氢气后， NO _x 的平均排放量较未掺入氢气前减少了 9.6% 。

③存在问题及发展趋势

掺氢天然气在工业领域推广面临的主要问题是难以确定掺氢比例上限，管网范围越大、设备越多，对掺氢上限的要求越严格。未来应兼顾经济性、安全性和环保性，确定不同工业系统的掺氢比例上限；建立天然气掺氢工业标准体系，推动掺氢天然气成为低排放的天然气替代能源。

3 结语

我国对天然气掺氢的研究工作尚在起步阶段，天然气掺氢领域仍有许多问题亟待解决。现有的研究成果不能完全考虑实际情况，且各国的天然气组成、天然气管网材料、工况存在差异，我国发展天然气掺氢技术不能盲目借鉴国外的参数，需结合我国的实际情况，对输送管道的性能进行分析，研究掺氢比例的最佳范围，并制定一系列关于天然气掺氢的标准，推动天然气掺氢技术的产业化应用。

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（本文责任编辑：林国真）

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