羅子萱 徐華池 袁滿

1.清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院 2.西南石油大學電氣信息學院

在能源短缺和環(huán)境惡化兩大困境的威脅下，可持續(xù)清潔能源的開發(fā)日益迫切[1]。氫能是最理想的新能源之一，作為一種具有綠色、高效且可持續(xù)發(fā)展特點的柔性二次能源，可作為解決能源危機的終極方案[2]。

近年來，歐洲各國先后嘗試利用風電、太陽能等清潔電力電解制氫，再加以儲存和利用的電轉氣(power to gas, P2G)模式。電轉氣是利用可再生能源產生的電能電解水制取氫氣；隨后，將氫氣與二氧化碳反應制備甲烷加以利用，或者直接將制得的氫氣與天然氣按一定比例混合，通過天然氣管道進行儲存運輸[3]。

天然氣摻混氫氣技術已日漸成熟，截至2018年8月，歐洲已開展50余個電轉氣示范項目。2004～2009年，歐洲燃氣研究集團開展了名為“NATURALHY”的項目，較為系統(tǒng)地研究了天然氣摻混氫氣進行輸送對于整個天然氣系統(tǒng)的影響[4]；2008～2011年間，荷蘭進行了將氫氣摻入到當?shù)靥烊粴廨敋夤芫W(wǎng)的實驗，年均氫氣摻入天然氣的體積分數(shù)達12%[5]；法國敦刻爾克的“GRHYD”項目直接將制得的氫氣摻入天然氣中輸送給超過200戶居民及HCNG加氣站使用，氫氣摻入體積分數(shù)最高達20%[6]。與此同時，美國國家可再生能源實驗室也積極對天然氣摻混氫氣技術進行研究，為日后發(fā)展氫氣利用天然氣管道輸送及下游萃取技術做鋪墊[7]。歐美各國開展的天然氣摻混氫氣實驗可為大規(guī)模消納電轉氣制取的氫氣提供技術支撐。

當前，我國棄電形勢嚴峻，年“棄風”“棄光”“棄水”總量達1000×108kW·h，利用棄電進行大規(guī)模制氫或成為解決清潔電能并網(wǎng)難問題的有效途徑。國內主要城市的天然氣管網(wǎng)體系建設完備，通過天然氣摻混氫氣可消納電轉氣制取的大量氫氣，并為解決棄電問題及提升可再生能源在能源消費中的占比提供了保障。在天然氣摻混氫氣管道輸送方面，趙永志等認為摻入的氫氣對配送管道的影響較小，對輸送管道的影響還需進一步評估，而隨著氫氣摻混比例提升，風險也增大[8]；麻東等分析認為需加強管道對氫脆現(xiàn)象的防護，著重對管道損傷和裂縫進行處理[9]；張小強等分析了天然氣摻混氫氣的管材適用性，認為如果管道鋼級低于X52(含X52) ，則該天然氣管道可用于輸送氫氣體積分數(shù)小于10%的混合天然氣[10]。另一方面，摻氫天然氣在應用過程中的安全性及尾氣排放指標也十分重要，尤其是針對家用燃氣設備的燃燒特性評估。

本文基于家用燃氣設備進行實驗和分析，評價摻氫天然氣在燃氣灶具、熱水器以及日益普及的燃氣熱水爐中燃燒的安全性和尾氣排放是否符合現(xiàn)行國家標準，是否有助于減少污染的排放。首先，本文根據(jù)天然氣與氫氣物化特性及國家燃氣標準確定合適的摻氫體積比例(后文均為體積比例)；其次，選擇天然氣類的灶具、熱水器、燃氣采暖熱水爐作為實驗樣品，將摻混一定比例氫氣的12T-0天然氣在家用燃氣具中燃燒，測試其安全性與煙氣排放特性，在燃氣具不做任何調整情況下，驗證燃具的點火率、火焰穩(wěn)定性與煙氣排放性能等方面是否全部合格，是否符合國內現(xiàn)行國家標準。

1 理論分析

1.1 天然氣與氫氣物理化學特性對比

本文研究對象為天然氣摻混氫氣為基底的混合氣體，但氫氣與天然氣在物理化學性質上有許多的相似點，同時某些參數(shù)上又差異比較大，見表1。

表1 氫氣與天然氣的主要物理化學參數(shù)對比Table 1 Comparison of physical and chemical parameters between hydrogen and natural gas項目 氫氣天然氣密度/(kg·m-3)0.089 90.70～0.75沸點/℃-252.78-162氣化熱/(kJ·kg-1) 899.1423發(fā)熱量/(kJ·m-3) 10 79433 440～41 800燃點/℃ 574630～730燃燒界限/%5～755～15爆炸極限/%4～765～15顏色無色無色氣味無味混有加臭劑氣體時有刺鼻氣味火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤燧^慢

氫氣與天然氣在火焰?zhèn)鞑ニ俣?、燃燒界限、爆炸極限、發(fā)熱量等方面均有較大差異性，而燃氣在家用燃氣具中燃燒過程較為復雜，且氫氣與天然氣具有不同物理化學特性，兩種氣體的混合氣是否能在家用燃氣具中安全燃燒，以及燃燒之后的尾氣排放相對于原天然氣燃燒而言具有何種特點，均有待深入研究。

1.2 燃氣互換性約束下氫氣摻入天然氣的比例確定

所有的燃氣具均按照一定的燃氣組分來設計，若改變燃氣組分，以一種燃氣替代另一種燃氣，或往其中一種燃氣中摻混入另一種燃氣，都會使其燃燒特性發(fā)生改變。由于燃氣本身的發(fā)熱量、密度等發(fā)生變化，燃氣具的熱負荷、火焰穩(wěn)定性甚至一次空氣系數(shù)均會發(fā)生改變。因此，提出燃氣互換性概念是用于判斷燃氣組分差異值是否超出了允許的范圍；當供給用戶的燃氣組分發(fā)生變化時，只有置換氣與基準氣具有互換性時，才能保證用戶使用燃氣的安全性和經(jīng)濟性[11]。

GB/T 13611-2018《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》規(guī)定了我國城鎮(zhèn)燃氣的類別及特性指標：我國城市燃氣供應以12T天然氣為主，而12T-0的高華白數(shù)為50.73 MJ/m3；12T天然氣選擇的界限氣華白數(shù)上限為黃焰和不完全燃燒界限氣，下限是脫火界限氣；分別對應的高華白數(shù)為：54.78 MJ/m3、45.67 MJ/m3；規(guī)范還規(guī)定12T天然氣的高位發(fā)熱量在31.97～43.57 MJ/m3的范圍內[12]。

相對于基準氣(12T-0)的上限高華白數(shù)波動值為：

(1)

相對于基準氣的下限高華白數(shù)波動值為：

(2)

即12T天然氣的高華白數(shù)允許波動范圍為：-9.97%～7.98%。

根據(jù)國際現(xiàn)有項目的開展經(jīng)驗，在考慮燃氣的熱效率與符合條件下，以12T-0作為摻混基準基底氣，選取20%(體積分數(shù)，下同)及以下的摻氫比例作為實驗用氣，可以得出混合氣的華白數(shù)與發(fā)熱量如表2所示。

表2 天然氣摻混氫氣和12T-0氣質參數(shù)(15 ℃,101.325 kPa,干)Table 2 Parameters of natural gas mixed with hydrogen and 12T-0 natural gas (15 ℃, 101.325 kPa, dry base)序號名稱相對密度d發(fā)熱量/(MJ·m-3)華白數(shù)/(MJ·m-3)偏差/%高位低位高低高低112T-00.555 037.7834.0250.7345.67--25%摻混氫0.530 7 36.5732.8550.1945.08-1.2 -1.3 310%摻混氫0.506 5 35.2831.6549.5844.48-2.5 -2.6 415%摻混氫0.482 2 33.9930.4648.9643.87-3.7 -4.0 520%摻混氫0.457 9 32.7029.2848.3443.25-4.9 -5.3

隨著氫氣摻入比例的提高，混合氣的華白數(shù)、發(fā)熱量和相對密度逐漸降低，而在20%及以下?lián)交毂壤?，混合氣高位發(fā)熱量符合31.97～43.57 MJ/m3的波動范圍，摻混后的燃氣華白數(shù)偏差在-1%～-6%之間，也符合12T天然氣的高華白數(shù)-9.97%～7.98%的波動范圍，但隨著華白數(shù)和發(fā)熱量的降低，可能會造成燃具的熱負荷降低，消費者在使用5%～20%的摻氫天然氣時，燃氣的消耗量可能會有所增加。

1.3 摻氫天然氣氣質評價與現(xiàn)有城鎮(zhèn)燃氣行業(yè)規(guī)范情況的對比分析

(1) 根據(jù)《煤氣設計手冊》(下冊)煤氣互換性和通用燃燒器的設計規(guī)定，燃氣低華白數(shù)波動范圍不大于10%時，該氣種可在商業(yè)、居民用戶的燃具上使用[13]。摻混后的燃氣華白數(shù)偏差為-1%～-6%，滿足國內外對于華白數(shù)波動范圍不大于10%的要求。

(2) GB 17820-2012《天然氣》產品分類和技術要求、輸送和使用3.3條文規(guī)定“作為民用燃料的天然氣，總硫和硫化氫含量應符合一類氣或二類氣的技術指標”[14]。表2顯示，摻5%氫氣的混合天然氣高位發(fā)熱量為36.0 MJ/m3，符合GB 17820-2012中一類天然氣高位發(fā)熱量不小于36.0 MJ/m3的技術指標；其他氣最低的高位發(fā)熱量為32.1 MJ/m3，符合二類天然氣高位發(fā)熱量不小于31.4 MJ/m3的技術指標。故而，摻氫比例為5%～20%的混合燃氣符合GB 17820-2012用作民用燃料的指標要求。

(3) 結合天然氣摻混氫氣氣質特性指數(shù)與GB/T 13611-2018對12T天然氣的要求，可以得出天然氣和天然氣摻混氫氣的高華白數(shù)與高位發(fā)熱量的關系，如圖1所示。

通過分析，摻氫比例為5%～20%的混合燃氣的氣質指標在12T天然氣規(guī)定范圍內，符合GB/T 13611-2018對12T天然氣的技術指標要求。

(4) GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》中燃氣質量3.2.1條規(guī)定，城鎮(zhèn)燃氣質量指標應符合下列要求：①城鎮(zhèn)燃氣(應按基準氣分類)的發(fā)熱量和組分的波動應符合城鎮(zhèn)燃氣互換的要求；②城鎮(zhèn)燃氣偏離基準氣的波動范圍宜按現(xiàn)行的國家標準GB/T 13611-2018的規(guī)定采用，并應適當留有余地[12]。

對比燃氣質量規(guī)定，摻氫比例為5%～20%的混合燃氣氣質符合GB 50028-2006相關條款的要求。

基于我國現(xiàn)行的相關燃氣氣質和分類的技術標準，計算了摻混燃氣的華白數(shù)和發(fā)熱量。理論分析發(fā)現(xiàn)，摻混后的燃氣(高)華白數(shù)偏差在-1%～-6%之間，滿足國內外對于華白數(shù)波動范圍不大于10%的要求，且華白數(shù)與發(fā)熱量落在12T天然氣氣質波動要求范圍內。綜上4點所述，對比摻氫天然氣與國家相關要求，在12T天然氣基準氣中摻氫氣5%～20%形成的混合燃氣產品，其參數(shù)指標方面滿足天然氣行業(yè)現(xiàn)行相關質量標準和燃氣可互換的規(guī)定。

2 實驗與測試

2.1 試劑與儀器

本次實驗，選擇天然氣類的灶具10臺(臺式灶、嵌入式灶、集成灶各2臺，紅外灶4臺)、熱水器6臺(自然排氣式熱水器1臺、強制排氣式熱水器5臺)、燃氣采暖熱水爐2臺，用于測試摻混一定比例氫氣的12T-0天然氣在家用燃氣具中燃燒的安全性與煙氣排放特性。在燃氣具不做任何調整情況下，測試燃具的點火率、火焰穩(wěn)定性與煙氣排放性能等方面是否全部合格，是否符合國內現(xiàn)行國家標準。

2.2 測試項目

2.2.1家用燃氣具的燃燒工況測試

在民用燃燒器中，安全是第一位的。燃燒工況是指火焰?zhèn)鬟f、火焰均勻性、離焰、黃焰、回火等火焰特性。家用燃氣具正常工作狀態(tài)下應具有穩(wěn)定的、燃燒完全的火焰結構，而不正常的火焰則會產生離焰、黃焰、回火和不完全燃燒的現(xiàn)象，惡劣的燃燒工況最直接的影響是排煙中CO、NOx等對人體有害物質的激增。因此，需對不完全燃燒的現(xiàn)象進行限制，以保證用戶的人身安全。燃燒工況測試方法依據(jù)GB 16410-2007《家用燃氣灶具》、GB 6932-2015《家用燃氣快速熱水器》及GB 25034-2010《燃氣采暖熱水爐》進行。

2.2.2家用燃氣具的煙氣排放指標測試

(1) CO體積分數(shù)。家用燃氣具燃燒干煙氣中的CO體積分數(shù)是強制性指標，是對使用者身心健康和人身安全有直接影響的指標，干煙氣中的CO體積分數(shù)若超出標準，則判定為不合格。

煙氣成分數(shù)據(jù)采樣通過煙氣分析儀采集，家用灶具煙氣的采樣方法按GB 16410-2007執(zhí)行；熱水器在無風狀態(tài)下的煙氣采集依照GB 6932-2015的規(guī)定進行；燃氣采暖熱水爐在無風狀態(tài)下的煙氣采集按GB 25034-2010的要求執(zhí)行。

(2) NOx體積分數(shù)。燃氣燃燒時在排放出CO有毒氣體的同時，O2與N2會發(fā)生化學反應，生成NO和NO2等微量氣體，統(tǒng)稱為氮氧化物NOx，其對人體的毒性比CO高出很多倍，還會形成化學煙霧危害環(huán)境，近年來引起世界各國的高度重視。NOx的產生與燃燒溫度、煙氣中O2含量等因素有關。我國現(xiàn)行國家標準中未對NOx排放量進行強制規(guī)定，本文僅研究NOx排放的變化趨勢。

3 結果與討論

3.1 家用燃氣具的安全適應性

燃氣具的安全適應性主要是考核天然氣類家用燃氣具在使用天然氣摻混氫氣時的點火率、火焰穩(wěn)定性，出現(xiàn)脫火、回火、離焰、黃焰或不完全燃燒等不正常燃燒現(xiàn)象均為安全不適應。

家用燃氣灶具、燃氣熱水器、燃氣采暖熱水爐在使用12T-0天然氣基準氣與天然氣摻混氫氣時的安全適應性測試結果如表3所示。結果表明，家用燃具的點火率、火焰穩(wěn)定性與煙氣排放等各項安全適應性指標均合格。故而摻混5%、10%、15%及20%氫氣的12T-0天然氣在現(xiàn)有家用燃氣灶具中燃燒均符合國家標準要求的安全適應性。

表3 測試用家用燃氣灶具、燃氣熱水器、燃氣采暖熱水爐的安全適應性%Table 3 Safety adaptability of tested domestic gas appliances類別項目12T-0天然氣5%摻混氫10%摻混氫15%摻混氫20%摻混氫燃氣灶具點火率100100100100100火焰穩(wěn)定性合格率100100100100100燃氣熱水器點火率100100100100100火焰穩(wěn)定性合格率100100100100100燃氣采暖熱水爐點火率100100100100100火焰穩(wěn)定性合格率100100100100100 注:1.點火率:點10次有8次以上點燃,不能連續(xù)2次失效,無爆燃。 2.火焰穩(wěn)定性:不發(fā)生回火、熄火及妨礙使用的離焰現(xiàn)象。

3.2 家用燃氣具的煙氣排放分析

家用燃氣具的煙氣排放同樣為考核燃氣具是否合規(guī)的必要考量標準，本文選用12T-0天然氣基準氣和不同摻氫比例的天然氣作為實驗氣，測試家用燃氣具的煙氣排放各指標隨摻氫比例不同的變化情況。

通過燃氣具煙氣CO的測試數(shù)據(jù)分析可知(見圖2)，使用12T-0天然氣基準氣及摻混天然氣的家用燃氣灶具，其煙氣CO排放量均低于國家標準GB 16410-2007要求的0.05%，同時隨著氫氣摻混比例的增加，煙氣排放中CO的體積分數(shù)逐步降低，最低達到0.001%，遠低于國家標準的要求。此外，不同類型灶具的煙氣CO排放變化情況也具有差異性，隨著氫氣摻混量的增加，嵌入式灶具煙氣中CO體積分數(shù)的變化幅度最大，集成灶次之，臺式灶變化較?。欢t外灶的CO煙氣排放表現(xiàn)最佳，在各氣體組分測試中均處于最低值，遠低于國家標準要求的閾值要求。

相較CO的變化情況而言，家用灶具煙氣中NOx體積分數(shù)變化呈現(xiàn)趨勢較為不同(見圖3)。使用摻氫天然氣的灶具，煙氣NOx排放量均未有顯著上升情況，低于使用12T-0天然氣基準氣的排放情況，但因幾種燃具的初始NOx排放性能較為良好，隨著氫氣摻混比例的提升，NOx排放量呈波動狀態(tài)。同時，不同類型的灶具NOx排放情況也呈現(xiàn)較大的差異，其中紅外灶的NOx整體排放為最小，遠遠優(yōu)于其他類型的灶具。

圖4為家用燃氣熱水器的煙氣排放結果，分析可知，使用12T-0基準天然氣的家用燃氣熱水器的煙氣CO排放量低于標準要求的0.06%，同時使用摻氫天然氣的熱水器也滿足國家標準要求，并且隨著氫氣的增加CO排放量均呈現(xiàn)降低趨勢；煙氣中NOx排放量隨著氫氣的增加排放量波動較小，未有明顯上升或降低的趨勢產生，與灶具的煙氣排放規(guī)律基本一致。

3.3 家用燃氣采暖熱水爐的煙氣排放分析

圖5為家用燃氣采暖熱水爐的煙氣排放結果，分析可知，采暖熱水爐的煙氣CO排放值都低于標準要求的規(guī)定值0.1%，同時隨著氫氣的增加CO排放量進一步降低；煙氣NOx排放量隨著氫氣的增加排放量顯著降低，有助于治霾物質的產生。

4 結論

經(jīng)過實驗測試與實驗結果對比分析表明，當摻氫天然氣中的氫氣比例在20%以內時，摻氫天然氣在常規(guī)天然氣類家用燃氣具上可直接應用，且燃氣具安全性和技術性等性能指標均處于正常范圍之內。根據(jù)實驗結果，本研究具體得出以下結論：

(1) 在12T基準氣中摻氫氣5%～20%的混合燃氣符合GB 17820-2012《天然氣》標準用作民用燃料的指標要求，其中摻5%氫氣的混合天然氣高位發(fā)熱量符合GB 17820-2012中一類天然氣的技術指標，其他氣最低的高位發(fā)熱量符合二類天然氣技術指標，且符合GB/T 13611-2018《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》中12T天然氣的技術指標要求，以及GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》相關條款的要求。

(2) 在12T基準氣中摻混氫氣比例在5%～20%時，雖然低華白數(shù)有1.3%～5.3%的損失，但在家用燃氣具不做任何調整情況下，測試燃具的點火率、火焰穩(wěn)定性與煙氣排放性能等全部合格，即家用燃氣具在安全性能方面滿足適應氣質轉換要求。但隨著摻氫比例的增加，華白數(shù)和發(fā)熱量的降低，可能會造成燃具的熱負荷降低，進而可能造成燃氣消耗量上升，對此還需進一步研究。

(3) 5%～20%的摻氫天然氣的家用燃氣具煙氣排放指標滿足標準要求，并且排放煙氣中的CO與NOx體積分數(shù)隨著氫氣的增加而呈現(xiàn)降低趨勢，對未來開展管道摻氫項目以降低碳排放及污染物排放具有理論和實踐指導意義。

(4) 由于氫原子有可能進入鋼材基體，造成氫脆現(xiàn)象，特別是復合材料、高標號的鋼材的管道等，這使得天然氣摻混氫氣存在一定風險，對此還需進一步的研究。