1、天然气掺氢对终端用户的影响为明确现有终端用户设备的掺氢适应性情况，通过案例调研和模型试验分析的方法，评估天然气输送系统中氢气掺混对终端用户设备居民设备（如燃气灶、热水器、壁挂炉）和工业设备（燃气锅炉、燃气轮机、压缩机、发动机）在燃烧稳定性、热效率和污染物排放等方面的影响。结果表明：适量掺氢能够改善燃烧性能，降低污染物排放，然而掺氢比的提高也引入了如火焰稳定性下降、材料兼容性问题等安全风险。掺氢比10%以内时，对居民燃气设备燃烧特征及稳定性影响较弱，并一定程度降低了污染排放物。因工业设备的运行原理差异，其对掺氢比也表现不同的适应性。燃气锅炉的示范应用表明23%左右是最佳掺氢比，而燃气轮机在掺氢比
2、介于10%20%的情况下，能够保持设备的安全可靠性，防止回火并且满足排放标准；掺氢可以解决发动机初期点火所需能量大、稀燃能力不足的问题，但排放尾气成分则受多种因素影响；压缩机的转动速率和构造的稳固性在混入氢气后会受到显著影响，目前建议掺氢比在10%以下。在“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的“双碳”目标下，中国更加重视可再生能源的发展与探索。而氢能源作为新能源的佼佼者之一，以其环保、高能效并且具备可连续发展的柔性二次能源特质，堪称应对能源短缺的最终策略。为解决氢能的大规模长距离输运问题，业界提出了基于现有天然气管网设施进行掺氢的方案，但在此方案下终端用户设备的天然气掺氢适应性是
3、另外一个决定性的因素。掺氢对于终端用户设备的影响主要体现在两个方面：1）掺氢后对设备燃烧特征的影响；2）掺氢后对终端设备材料性能的影响。目前各国工业界及学术界对天然气掺氢的问题已经开展了一定研究。自2000年起，世界各地均对天然气掺氢的技术及应用开展了研究。根据国际能源署的数据汇总，截至2019年，全球专业机构已开展了37个天然气输送系统融合氢气的相关实证项目研究，主要探讨将氢气掺入天然气中，通过天然气输送管网为住宅和商业用户供应燃料气的实用性，考察天然气与氢气混合后在输送比例上对管网关键组件、管道和用户端设备的可能影响，以及混合气体运送、储存的技术及其安全性方面，大多数研究认为目前终端用户设
4、备可以适用一定比例的掺氢天然气，但需要针对具体设备性能开展具体分析。许多欧洲和美洲国家探索在不对现行天然气传输体系进行改造的情况下实施将氢燃料注入现有输气网络的试验与示范。项目包括欧盟的Naturalhy（自然氢）项目、荷兰的SustainableAmeland（可持续阿曼兰德）项目、德国的DVGW（燃气与供水工业技术和科学协会）计划、法国的GRHYD（氢能脱碳电网管理）计划，以及英国HydePlOy（氢能部署）项目和H21LeedsCityGate（氢气利兹城市之门）项目等，上述项目研究均认为掺氢是在未来3050年内大规模推广氢气的唯一现实解决方案，但在利用已有管网掺氢和终端用户适用性方面仍
5、有一些工作需要开展。目前认为，氢气在燃烧速率与火焰温度方面较天然气表现出更为显著的特性，它不仅能加快燃料燃烧的扩散速度，还能减少点燃所需能量的最低限度，并增加了燃料的稀燃界限。基于这些因素，必须对气体最终使用设备，即终端用户设备进行掺氢适用性评估，重点在于对现有使用终端不改动的情况下，在一定范围内适当调节氢气在天然气中的比例，是否能够保障终端用户设备的使用效能和安全性，同时通过掺氢有效降低排放。秦琨等研究了掺氢比对低排放燃烧室性能的影响，基于现役某型工业低排放燃气轮机结构和性能，用数值模拟方法分析了燃料中掺氢比对低排放燃烧室性能的影响，发现额定工况下掺氢比W30%（以体积分数计，下同）时，燃烧
6、室不发生回火；在其他工况下，负荷变化对燃烧室边界条件影响较为复杂，对喷嘴回火边界影响无单调性变化规律。吕光普等调研了氢燃气轮机燃烧技术现状及趋势，介绍了氢燃气轮机燃烧技术发展过程中面临的主要问题，归纳了解决回火和NOx排放的思路及方法，认为设计新型氢燃烧室可大幅降低回火的可能性。掺氢对终端设备材料性能亦有影响。氢气进入金属会造成材料机械性能下降、氢致开裂、氢鼓泡、氢腐蚀等一系列问题。众多实验表达了同一观点，即随着钢材等级的提升，其遭受氢脆现象的可能性逐渐增加。目前普遍接受的观点是，输送氢气的管道材料硬度理应W22HRC,并且其抗拉强度最好W93MPao目前，虽然针对掺氢天然气输送管线还没有正式
7、出台相应规范，但是对应纯氢输送管道的相关标准已经发布，这些标准具有一定参考价值，例如国际标准ASMEB31.12-2019氢气管道和CGAG-5.6氢气管道系统及国家标准GB501772005氢气站设计规范和GB178202018天然气等规程。与氢对管道材料的影响相比，掺氢对终端设备材料性能的影响研究较少，亦缺少行业级的指导文件。李丛等梳理了掺氢/纯氢环境下燃气轮机的氢致损伤研究现状，通过分析目前国内外相关研究,归纳了临氢环境下燃气轮机材料的氢损伤机制以及相关影响因素，认为尽管已经提出多种氢损伤机制来解释材料在临氢环境下性能劣化行为，但仍未有一种统一的模型来解释所有材料的氢损伤机制。分析研究现
8、状发现，目前关于不同的应用环境、燃烧特性以及用气设备最合适的掺氢比，尚未有统一结论。同时大多数研究集中在对于单一设备的掺氢适应性评估，缺少对于终端用户，包括民用终端设备和工业终端设备的系统性对比分析，尚没有对于目前相关研究的系统梳理和总结成果。本文立足于氢能发展趋势，分析天然气与氢气混合的基本特性及对终端设备性能的影响，全面剖析掺氢天然气在居民和工业应用中的可行性与挑战。通过相关示范案例调研、相关设备性能分析以及现有技术评估，针对目前行业所涉及的终端用户一居民端设备和工业设备两大类，其中居民设备包括燃气灶、燃气热水器和壁挂炉等，工业设备包括燃气锅炉、燃气轮机、发动机和压缩机等设备的掺氢适应性和
9、影响进行梳理，希望通过系统总结分析，明确目前在居民终端和工业终端设备掺氢的技术现状，为后续技术发展提供参考和指导。1、天然气掺氢后的物性变化分析在燃气应用中，当运行安全、效率、性能或增加污染物的排放等方面无实质性变化时，一种燃气替代另一种燃气的能力称为燃气互换。因此在评估天然气掺氢对终端用户的适用性时，首先应明确2种可燃气体的互换性，即掺氢后对燃气总体燃烧性能和排放的影响大小。1氧气与天然气的主要物性对比Table1Thecomparisonofhydrogenand11uturalgas物电相时分干腐Ii密度/(kgm,)空气中小点火火*/mJ煨势快限，%空(中的rfts,）小泮烟距离/er
10、a氧气2.016O.OR270.0174.075,00.6110.222045265-325OOM人然气（甲烷）16.0430.659402745.3-15.00.1635.90I875M770.203天然气的主要成分为甲烷，表1为常温常压（20、100kPa）下氢气和甲烷的主要性质对比。氢气具有密度小、爆炸区间范围宽、最小点火能量低、火焰温度高、扩散系数大等特点。因此，掺氢天然气和常规天然气的物性、燃爆特性都存在一定差异，具体差异大小取决于掺氢比。例如，氢气的体积能量密度（低热值）约是天然气的1/3,在相同工况下，掺氢会降低天然气管道输送气体的能量含量，导致终端用户天然气需求量上升。)比热容
11、随密捧l比的变化7|-Wc搀氧比例/%(b密度RfitT搀轨比的变化(c)热值划/推氧比的变化持辄比例/%(出粘度随善拷氧比的变化ffl1掺Il天然气物性变化图1为在不同的掺氢比下，掺氢天然气的物性特征随着掺氢比的变化曲线。由图可知，随着掺氢比的增加，掺氢天然气的热值、黏度和密度随着掺氢比的升高均表现出降低的趋势。在掺氢比为30%状态下，与纯天然气相比,掺氢天然气的高热值、黏度和密度降了20.5%11.1%36.5%o但掺氢天然气的比热容随掺氢比的升高而增加，与纯天然气相比，天然气的掺氢比为30%时，混合气的比热容增加8.6%。2、居民端设备掺氢的影响鉴于氢气和天然气在根本特性上存在着显著差异
12、天然气掺氢后,其比重、发热量及燃烧行为等会产生变化。各类燃烧器具因其自身燃烧能力的差异，所能承受的掺氢比也有所不同，因此，在掺氢时，必须认真考量掺氢天然气的替代性和掺氢对于燃烧效能的潜在影响。而在评估掺氢影响时，应主要集中在评估居民用户设备（燃气灶、燃气热水器、燃气壁挂炉等）燃烧稳定性、热效率、污染物排放特性。通过对12种典型燃具的测试，包括家用燃气灶、热水器、壁挂炉、大锅灶等设备对燃气掺氢比的适用范围，掺氢比低于10%时，所测试的设备都能适应，火焰稳定性、火焰传播速度以及热值都在可接受范围。罗子萱等针对家用燃具的燃烧开展了研究，包括燃气灶、热水器以及燃气热水炉，考察了掺氢天然气燃烧的安全性
13、与烟气排放特性,结果表明，当天然气中的掺氢比在20%以内时，可直接在燃气具上应用。但DEVRlESH等的研究结果表明，在不增加回火风险的前提下，天然气中最大掺氢比依赖于天然气的初始组成，对于纯甲烷可以掺入112%的氢气，所以在应用时需注意天然气的组成。2.1燃气灶居民燃气灶主要用于食品加工，其特点是用气负荷变化较大。因此在进行掺氢适应性评估时，应重点关注在掺氢后火焰的燃烧特性，例如掺氢后是否会发生回火、点火延迟等现象，同时进行热效率和污染物排放的相关分析。()捧敏比0%(b)建期比10%(C)播乳比20%3W(d)推敏比30%(C)捧氢比40%图2各种播筑比下火燃影态D燃烧特征。通过对典型居民
14、燃气灶进行不同掺氢比的燃烧试验发现，随着掺氢比增大，火焰内锥逐渐变短，火焰逐渐变硬，火焰形态如图2所示,而且燃烧过程没有出现脱火、离焰、黄焰等不正常现象。当掺氢比为10%时，未观察到熄火或震爆的情况，然而掺氢比提升至20%时，轻度的熄火震爆现象随之发生。2)回火隐患。氢气的回燃特性决定其作为燃料时可能引发安全隐患。掺氢天然气在厨炉使用中会出现再燃现象，当厨炉保持稳定燃烧时,逐步提高掺氢比,掺氢比最大可为50%；若是在点燃之前便加入氢气，则无回火现象发生的最大掺氢比仅为25%oZHAO等对掺氢天然气的燃烧特性研究结果与上述结果接近，其研究显示在掺氢比达到20%时燃气灶会发生回火现象。3)点火及热
15、效率特征。家用烤炉燃烧器使用掺氢天然气作为燃料时，因氢气的加入能够减少点火所需时间。当混合气中掺氢比为25%时,该燃烧器触及了复燃的界限。并且随着气体中掺氢比的增加，火焰将更加靠近燃烧器的表层。而当掺入10%氢气时，燃烧器的温度提高了63%o氢气的引入导致了火焰内部的氢原子、氧原子及羟基的浓度提升，进而增加了化学反应的活跃性，使得气体混合物相较于单纯的天然气而言燃烧得更迅速，进一步加速了燃烧过程中的放热速度。这一系列的效果使得高温废气与锅底之间的热对流系数提高，热交换量得以增加，从而促使燃气灶的热效率得到显著提升。4）排放物特征。当掺氢比W17%时，混合后的气体可直接用于家庭和商业用途的炉灶。
16、随着掺氢比的上升，混合燃料里氢与碳的摩尔比例逐步上升，进而导致在燃烧生成物中碳元素的比例递减。同时，因为氢含量的增多，OH自由基的浓度得到提升，这有利于加速CO向C02的转化，终使得排放废气中的CO浓度下降。研究表明，当掺氢比为15%时，CO的排放浓度下降了大约9%。2. 2燃气热水器燃气热水器用于制备生活热水，在保证燃烧安全性的前提下，主要需关注热水器的燃烧效率和污染物排放。1）燃烧效率。试验研究表明，只要掺氢比W10%,燃烧装置就能够维持稳定燃烧。和天然气相比，氢气的理论燃烧空气量更少，燃烧温度更高，因此掺氢天然气燃烧的温度相对较高，有利于提高热效率。同时由于混合气体的氢元素含量较高，烟气
17、的露点温度和湿度都较高,有利于烟气中的水蒸气冷凝，能充分利用冷凝式热水器的的潜热，从而也提高了热效率。2）排放物。通过向燃烧系统引入氢气，导致热水装置工作负荷和排出的废烟温度略为下降，与此同时，该热水装置的热能转化效能实现了提高，且CO排放量显著下降，NOX的释放亦小幅减少。2. 3燃气壁挂炉燃气壁挂炉和燃气热水器的工作原理基本相似，在使用掺氢天然气时,需要考虑是否会发生回火或脱火等安全性问题。试验研究表明，掺氢比在l%10%之间时，燃烧器的火焰燃烧状况保持正常，没有发生熄灭、火焰倒流或呈现黄色火焰的现象。燃气壁挂炉的燃烧器多为全预混燃烧器，它在掺氢后燃烧热效率变化与热水器相似，在掺氢后燃烧温
18、度会有所提高，同时提高了热效率。根据相关研究，壁挂炉能接受的掺氢比高达50%,在满负荷和半负荷的工况下均不会发生回火和脱火现象。随着掺氢比的提升，3种居民用设备的实际测定热效率普遍呈轻微上升趋势，燃气炉的最大偏离值达到一7.14%,这一数字仍低于GB164102007家用燃气灶具标准规定的一4%10%的范围。同时，热水器和壁挂式锅炉的最大偏离值分别为-3.81%和一3.21%o随着掺氢比的上升，所观察到的3款燃烧装置所排放的烟气中，CO的含量普遍有所下降。同时，燃气灶和壁挂式热水锅炉排出的NoX整体呈减少趋势，但是燃气式热水器所释放的NOx含量呈现的下降态势较弱。3、工业设备掺氢的影响天然气掺
19、氢可有效降低工业用户的碳排放。掺氢天然气的工业用户主要包括燃气锅炉、燃气轮机、燃气内燃机、工业窑炉及其他工业燃烧器。掺氢天然气可有效降低这些设备的碳排放，但也带来了一系列技术挑战和安全考量。3.1燃气锅炉燃气锅炉掺氢已经在业界得到一定的应用，并且都达到了较好的效果,具体如表2所示。在燃气锅炉中，将不同掺氢比的天然气的燃烧过程进行仿真分析，以考察不同掺氢比对燃烧温度、速度及主要污染物排放浓度的影响，发现随着掺氢比的增加，燃烧温度会逐步上升、燃烧反应速率会逐渐加快，炭烟和CO的浓度与排放总量均有所降低，NOx的浓度上升，但排放总量先减小后增大。结合我国城镇燃气的燃料互换性规范及工业污染物排放标准，
20、目前最佳掺氢比为23%O2氧气锅炉的应用情况Table2APPhCatJQnOfhydrogCnboilCT年份应用情况运营效果2002I台，.式氧气辆炉在上海飘减化股份限公司正式投产国内第I台立式辄气铜炉.在运营期间产生rR好的经济效益2006天津LG渤海化学公司离子腆烧装置2f45Vh氧气锅炉.使用策或装因牛产的育纯氧气和市政天然气作为燃内投产话frU50%）的专用燃气轮机，以及一些能够燃烧掺氢比10%掺氢天然气的特定燃气轮机，其他燃气轮机会有天然气中掺氢比V5%的基本限制。掺氢比对大型F级燃气轮机发电机组燃烧器的燃烧效果会产生一定影响。研究表明，燃气轮机在掺氢比介于10%20%的情况下，
21、能够保持设备的安全可靠性，并且满足排放标准。三菱、通用、西门子、安萨尔多等知名燃气轮机制造商在燃气轮机的掺氢研究、测试和示范运用方面进行了积极的探讨（见表3）,并在技术上取得了进展与有限的实践经验。衰3燃机厂商氢燃料燃机研究进展Table3ResearchprogressofhydrogenfuelIUrbmemanufacturers公司可适应撑翻比主要解决的问踮机型三菱Ils动力系统30%W%No.揖放及同火问题M70IF/J西n子旗源公司60%以下Na播放,增材制造SGT-600/SGT-8W安然尔多能源公司0%700%开发先进燃烧系统GT26/GT36通用电气发电公司0%-00%环形燃
22、烧器.多响嘴的烧器,增材制造6B/7E/9E/9F掺氢燃气轮机研制的关键技术较多，对于低排放燃氢燃烧室，最核心的是以下4项关键技术：1）低NOx排放与燃烧稳定性技术。目前其解决方法与燃天然气基本相同，主要技术手段为贫燃预混燃烧技术。2）防回火技术。目前预防回火主要采用微孔预混燃烧技术，如通用、三菱公司燃烧器结构，防止燃烧区域存在低速区，而出现回火现象。3）防预混区自燃技术。低排放燃氢燃烧室应合理控制燃料喷射速度及预混通道长度。4）用氢安全防护技术。需重点对氢燃料管路及密封件合理选材，对氢燃料系统及氢燃料管路走向存在的密闭空间，进行实时监控。同时，还应对密闭空间内可能出现的所有热源进行物理隔离。
23、3. 3发动机对于采用天然气作为燃料的发动机，往往存在初期点火所需能量大、稀燃能力不足等缺点，而这些可以通过掺入适量的氢气解决。实验研究表明，以掺氢比W40%的掺氢天然气混合气为燃料的发动机，其燃料使用效率会随着掺氢比是的上升而递增，从而提升了发动机的运行经济性；而在不同工作负荷条件下，掺氢比的提高，导致了NOX和CO排量的上升。增大点火提前角和掺氢比，NOx.CH4以及CO的排放量皆随之上升，对点火提前角进行优化能有效改善天然气发动机的尾气排放状况。数值模拟同样表明，采用掺氢比0%30%掺氢天然气混合燃料进行燃烧试验，结果显示，掺氢比10%的混合燃料可更显著地增强引擎性能以及降低排放物的生成
24、在气掺氢比介于0%40%间内，天然气HCCI引擎的燃烧活动及其排放表现出CO与C02的浓度下降，同时NOx浓度却呈现增长的趋势。但同时也有研究表明，掺入氢气的内燃机表观热效率（ITE）受到掺氢比及定速运转时的空燃比影响甚巨。3. 4压缩机掺氢天然气会对压缩机的进出口压力、能量消耗、转速和功率等关键性能指标造成影响。压缩机的工作效能取决于进入压缩机做工的气体体积及流通速率，压缩机的转动速率和构造的稳固性在混入氢气后会受到显著影响。混合燃料中掺氢比每增加5%,典型的R-R型压缩机入口的流量会下降，同时进口压力、排气压力和压力提升分别约提高3.34%,1.60%和O.39%,而自耗的气量、所需能源
25、和压缩比例平均降低0.35%4.11%和1.64%。相比气温对压缩机的影响，掺氢比对压缩机的性能参数有着更加显著的影响。当提升掺氢比时，压缩设备的压力比率与抗喘振性能相应减少，在掺氢比达到20%时，喘振安全边际减少了19.78%,而压缩比例相应降低了6.44%o在天然气输送网络中，离心式压缩机扮演着提升管线压力的关键角色,对于保证输气的效率与安全具有决定性的作用。而压缩机的工作状态与所处理气体的实际成分息息相关。陕西鼓风机集团和沈阳鼓风机集团均对中卫压气站中使用的压缩机组的掺氢适应性进行了初步研究，研究表明对于300亿m3设计工况，最多可适应至25%掺氢比，而对于互联工况，掺氢后压缩机组的变频
26、器、驱动机、压缩机、机组等部件会受到不同程度的性能限制，需要逐个探究各部件性能受限的原因,针对其受限点提出改造方案，进而提高改造机组的掺氢适应性。根据HYREADY的研究结果，现场安装的离心式压缩机可以适应10%以下的掺氢比，并不适合于天然气中掺氢比10%的情况。在掺氢天然气工况下，离心式压缩机的叶片可能会因接触到氢元素而遭受材质影响，需提高压缩机内部零件的耐磨性和密封性的标准。为了减少因氢引发的脆化和零部件故障的风险，生产商通常选用成本较高的先进材质来制造氢气专用压缩机，这无疑增加了掺氢压缩机的制造成本。此外，掺氢天然气亦可能导致一系列其他问题，比如可能出现喘振、密封泄漏、外壳氢脆等。为了解
27、决这些问题，可以用活塞式压缩机等替换现有的离心式压缩机，或升级/改造现有离心式压缩机的零部件。4、结论1）适量掺氢能够改善燃烧性能，降低污染物排放，有助于实现碳减排目标。然而，天然气掺氢也带来了火焰稳定性下降、材料兼容性安全风险等问题。2）掺氢比10%以内时，对居民燃气设备的燃烧特征及稳定性影响较弱，并一定程度降低了污染排放物。止匕外，对于民用设备的安全性是另外一个重要影响因素，燃气灶掺氢需要考虑防止回火和熄火等问题。3）工业设备对于掺氢比也表现不同的适应性，燃气锅炉的示范应用表明23%左右是最佳掺氢比，而燃气轮机在掺氢比介于10%20%的情况下，能够保持设备的安全可靠性，防止回火并且满足排放标准；掺氢可以解决发动机初期点火所需能量大、稀燃能力不足的问题，但排放尾气成分则受多种因素影响；压缩机的转动速率和构造的稳固性在混入氢气后会受到显著的影响，目前建议掺氢比在10%以下。为保障氢能的大规模应用，终端设备天然气掺氢的未来研究应集中在以下4个方面：1）开发更为高效的掺氢燃烧技术和设备改造策略，以适应更高的掺氢比；2）进一步研究和解决材料兼容性和安全性问题，尤其是针对高压环境下的氢脆和回火现象；3）优化天然气掺氢的输送和储存系统，降低能耗和成本，提高系统的整体安全性和经济性；4）制定详细的技术和安全标准，指导天然气掺氢的实际应用和推广。
