江先明 黃遜青

(廣東萬和新電氣股份有限公司，廣東佛山 528305)

在全球能源轉(zhuǎn)型背景下，氫氣作為可再生能源載體之一，以新的角色重新受到關注。氫能利用也被認為是加快可再生能源發(fā)展、實現(xiàn)能源低碳化的主要技術路徑之一。在2019年11月，國家統(tǒng)計局印發(fā)《能源統(tǒng)計報表制度》，將氫氣和煤炭、天然氣、原油、電力、生物燃料等一起納入2020年能源統(tǒng)計；在2020年5月28日，第十三屆全國人大第三次會議批準了2020年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展計劃，其中，在著力培育壯大新動能方面，將制定國家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃作為2020年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展計劃的主要任務之一。據(jù)預測，到2030年，我國氫能將在終端能源體系中占5%，到2050年占比至少可達到10%。目前全球氫能產(chǎn)業(yè)處于快速發(fā)展階段，已有超過30個國家制定了氫能發(fā)展路線圖；我國已有超過20個省、46個城市制訂氫能產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃，有100多項相關地方政策出臺。

氫氣作為能源具有廣泛的應用場景，既可用作化石能源（煤、天然氣）、可再生能源（氫電互變）高度耦合的二次能源載體，亦可廣泛應用于交通、工業(yè)和建筑等領域。在工業(yè)和建筑領域，其中一個應用場景是作為城鎮(zhèn)燃氣使用，成為家庭供暖、衛(wèi)浴和烹飪所需燃料。而在實現(xiàn)純氫應用之前，通過在天然氣中摻入氫氣獲得富氫天然氣（hydrogen-enriched natural gas, HENG）作為過渡方案，具有改造難度低、末端調(diào)節(jié)靈活的特點，不但可有效減少碳排放，減少城市基建投資（如市政設施），緩解天然氣供應壓力，也可以為純氫應用提供參考經(jīng)驗。

雖然HENG定義為在天然氣中摻入氫氣的廣義混合燃氣，摻氫比例未作明確限制，不過，全球范圍內(nèi)多個示范項目的主要研究方向為10%～20%的摻氫比例上限，只有個別達到30%的摻氫比例上限。目前多項研究普遍認為，對于現(xiàn)有的天然氣輸配管網(wǎng)，以20%的氫氣比例作為上限，在安全性、可靠性等方面不會形成新的技術風險。而對于終端低壓輸配管網(wǎng)，根據(jù)歐盟THyGA研究報告《氫氣混合物的非燃燒相關影響——材料相容性》[1]的結(jié)論，氫氣體積濃度為50%的HENG，在燃氣壓力不超過5 kPa的條件下，可以直接使用現(xiàn)有城鎮(zhèn)天然氣輸配管道，管道無需任何改造。

國內(nèi)外前期開展了多項關于12T天然氣與HENG的互換性研究，以及燃氣具對HENG的適應性的試驗研究，同時，歐盟還完成材料相容性方面的階段性研究并發(fā)布了相關成果[1]。但是，這些研究主要停留在技術可行性論證和示范驗證階段，國外尚無適用的正式發(fā)布的國際、區(qū)域（例如歐盟標準）、國家標準，國內(nèi)也無國家標準和行業(yè)標準。

近年來，萬和公司在富氫天然氣家用燃氣具的研究和開發(fā)領域持續(xù)投入，形成了富氫天然氣家用燃氣具系列企業(yè)標準，并在2021年3月舉行的中國家電及消費電子博覽會（2021AWE）上發(fā)布了系列產(chǎn)品，并提出了富氫就緒（HENG ready）、長壽命設計等技術方案，其中“富氫就緒”是富氫燃氣具的一種燃氣適配性設計方案，該方案使得燃氣具在無需專業(yè)服務人員參與的情況下，能夠同時適應12T和HENG，在預期的燃氣參數(shù)變化范圍內(nèi)，滿足燃燒穩(wěn)定性的全部要求。基于萬和公司系列企業(yè)標準，中國城市燃氣氫能發(fā)展創(chuàng)新聯(lián)盟在2021年10月發(fā)布了富氫天然氣燃氣器具聯(lián)盟標準。本文分析、回顧和總結(jié)了萬和公司在富氫燃氣具研發(fā)過程中的主要發(fā)現(xiàn)和經(jīng)驗，以推進富氫燃氣具研發(fā)水平，更好滿足“氫進萬家”戰(zhàn)略實施要求。

1 富氫燃氣具研發(fā)基礎

1.1 HENG分類與特性

雖然人工煤氣普遍含有氫氣成份，例如，焦爐煤氣中氫氣比例約為60%，但是富氫燃氣具與人工煤氣燃氣具存在以下明顯的差異。

（1）燃氣壓力、燃氣熱值不同：人工煤氣額定壓力為1 kPa，HENG則按天然氣標準要求為2 kPa；氫氣比例為20%的HENG的熱值約為焦爐煤氣的2倍，與12T的熱值差異僅約15%。

（2）燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)不同：由于人工煤氣與天然氣的額定壓力、燃氣熱值、空燃比等均存在較大的差異，導致兩者在與燃氣壓力、燃氣流量、空燃比相關的零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)，如流道尺寸、引射參數(shù)等差異使得選型有明顯不同，設計時無法用同一個燃燒器適應兩種燃氣，換言之，若滿足對人工煤氣的適應性，就不能滿足對HENG的適應性，反之亦然，故燃燒系統(tǒng)差異較大；又如，由于人工煤氣的壓力低，HENG無法在人工煤氣的壓力范圍通過回火界限氣檢測；而HENG與天然氣的差異較小，兩者的燃燒系統(tǒng)差異較小，尤其是按“富氫就緒”要求設計的燃氣具，燃燒系統(tǒng)可以同時適用12T和HENG。

（3）界限氣標準不同：人工煤氣的界限氣在GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》中有明確的規(guī)定，而HENG的界限氣目前尚無國家標準或行業(yè)標準給予規(guī)定，即使在國外也缺乏正式的國際標準和區(qū)域標準的規(guī)定。

由于富氫燃氣具與天然氣燃氣具差異較小，對于富氫燃氣具研究和開發(fā)的首要課題就是兼容性設計：在天然氣燃氣具的基礎上，通過合理的參數(shù)調(diào)整，使之適應HENG。而利用界限氣進行燃燒狀態(tài)試驗，就是驗證這些設計參數(shù)調(diào)整合理性的重要依據(jù)。

萬和公司參考現(xiàn)有資料提出了企業(yè)標準Q/WHX T02121—2021《富氫天然氣燃氣分類和基本特性》，其中對HENG的分類和特性進行了規(guī)定。表1和表2分別選取7R與12T作為人工煤氣和天然氣的代表，對比了氫氣比例分別為10%和20%的HENG“10S”和“20S”與這兩種燃氣的特性差異，其中VCH4，VH2，VN2，VC3H8分別對應試驗氣中甲烷、氫氣、氮氣和丙烷的體積分數(shù)。

表1 試驗氣組成對比Table 1 Composition of test gases

表2 基準氣特性對比Table 2 Characteristics of the reference gases

1.2 富氫燃氣具研發(fā)過程的關鍵技術問題

1.2.1 燃燒穩(wěn)定性

在富氫燃氣具的研究和開發(fā)工作中，確定界限氣要求的主要目的是解決燃燒穩(wěn)定性的考核問題。

對于10S，在確定回火界限氣過程中，按華白數(shù)變化幅度計算得出的界限氣組份為VCH4=80% ，VH2=20% ，考慮到12T的回火界限氣要求，組份為VCH4=77% ，VH2=23% ，較上述計算結(jié)果更為嚴酷，故直接引用了12T要求。由此可知，現(xiàn)有12T燃氣具可以滿足氫氣比例不超過10%的HENG的燃燒穩(wěn)定性要求。

對于20S，按照Q/WHX T02121—2021的規(guī)定，其黃焰界限氣和脫火界限氣對應的燃燒穩(wěn)定性要求較12T要求更為寬松，只有回火界限氣更嚴格。因此，對于采用“富氫就緒”的燃氣灶具，由于萬和公司采用了無需服務人員現(xiàn)場調(diào)整器具狀態(tài)的方案，相應地，燃氣具工作區(qū)域無縫覆蓋12T和HENG工作區(qū)域，因此，界限氣可以簡化為，12T的黃焰界限氣和脫火界限氣，以及氫氣比例上限的HENG對應的回火界限氣。例如，聲稱可同時滿足12T以及氫氣比例不超過20%的HENG的燃氣灶具（簡稱為20H燃氣灶具），全部的試驗氣為如下。

（1）基準氣：12T基準氣、20S基準氣；

（2）界限氣：12T黃焰界限氣、12T脫火界限氣、20S回火界限氣。

由此可將界限氣種類由6種簡化為3種，在風險控制能力不變的前提下，顯著降低燃氣灶具開發(fā)的成本，同時提高開發(fā)效率[2]。

1.2.2 材料相容性

首先，理論上金屬材料接觸氫氣可能形成氫脆風險，主要原因是，氫氣會降低金屬部件和管道的機械性能，因此會發(fā)生氫脆現(xiàn)象，例如氫與管線的結(jié)構(gòu)鋼鐵材料中的碳反應生成甲烷并在鋼鐵材料內(nèi)部形成局部高應力，造成鋼鐵材料脫碳和產(chǎn)生微裂紋，導致鋼鐵材料的力學性能發(fā)生不可逆的劣化。其次，氫氣與非金屬材料如聚乙烯的相容性問題以及氫在金屬和聚合物材料中的泄漏傾向，均會對富氫燃氣具的運行帶來較大安全隱患。此外，氫脆現(xiàn)象也在某些條件下會對銅、鋁等材料產(chǎn)生危害，例如，當結(jié)構(gòu)部件處于高應力狀態(tài)時。

對于上述問題，萬和公司借鑒國內(nèi)外行業(yè)經(jīng)驗提出了若干措施，包括直接采用12T燃氣具的材料相容性要求，改進泄漏控制措施和提出低應力設計控制措施等。參考歐盟THyGA研究報告的成果，當燃氣壓力不超過5 kPa時，現(xiàn)有燃氣具常用金屬材料在低應力條件下能夠與氫氣比例不超過50%的HENG相容，常用的非金屬材料相容性類似[1]。對于該約束條件，由于燃氣具正常運行條件下輸入端燃氣壓力一般不超過3 kPa；另外，歐洲計劃近期實施的HENG示范項目的氫氣比例均為20%以下，而日本林內(nèi)公司原先推出的某系列12T燃氣具，事后確認不僅可以適應純甲烷，而且可以適應氫氣比例最高至30%的HENG[3]。結(jié)合GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特征》要求的理解，行業(yè)在過去20多年積累的材料要求對于富氫燃氣具是有充分裕度的。而且，非金屬材料化學相容性研究表明，聚合物材料，特別是聚乙烯，在雙原子氫氣中長期暴露也不會發(fā)生劣化[1]。

因此，在萬和公司的企業(yè)標準中規(guī)定，富氫燃氣具的結(jié)構(gòu)材料只需符合GB/T 38442—2020《家用燃氣燃燒器具結(jié)構(gòu)通則》以及相應產(chǎn)品的強制標準要求即可，具體要求包括如下。

（1）使用HENG的燃氣具，其與燃氣接觸的結(jié)構(gòu)材料的相容性要求，與12T燃氣具相同。

（2）燃氣具的材料和結(jié)構(gòu)應符合GB/T 38442以及相應產(chǎn)品的強制標準要求，其中戶外產(chǎn)品還應符合GB/T 38522—2020《戶外燃氣燃燒器具》第5章要求。

（3）燃氣具各部件的結(jié)構(gòu)均應有良好的密封，其密封性能應符合Q/WHX T02122.1—2021《富氫天然氣家用燃氣具通用要求》的要求。

1.2.3 泄漏控制

氫氣泄漏速率約為甲烷的2.5倍，參考歐盟THyGA研究報告的成果，在低供氣壓力條件下，金屬材料和聚合物材料中氫氣的泄漏損失基本可忽略不計。萬和公司在研究過程中，從保障產(chǎn)品安全和用戶安全，以及提高產(chǎn)品質(zhì)量要求的角度，在燃氣具相關國家標準的安全要求基礎上，對富氫燃氣具燃氣系統(tǒng)的氣密性要求進行大幅度加嚴。

在萬和公司企業(yè)標準Q/WHX T02122.1—2021中，將允許的泄漏限值降低至國家標準中天然氣泄漏限值的1/8。具體規(guī)定如下。（1）在以下試驗壓力條件時，通往燃氣主通路的第一道閥門的漏氣量應不大于0.03 L/h；（2）燃氣熱水器、燃氣采暖爐：試驗壓力不低于15 kPa；（3）燃氣灶、燃氣戶外烤爐及燃氣烤箱：試驗壓力不低于21 kPa條件。

同時，考慮到自緊密封結(jié)構(gòu)的影響，增加試驗壓力為0.5～0.6 kPa的微壓測漏試驗要求[4]。

1.2.4 低應力控制

低應力控制手段用于控制燃氣具中承壓部件的金屬結(jié)構(gòu)材料可能形成的氫脆風險。

歐盟THyGA研究報告提醒，降低終端的低壓力燃氣管網(wǎng)中金屬材料發(fā)生氫脆風險的前提是，這些結(jié)構(gòu)部件處于低應力水平[1]。通常情況下，燃氣具金屬承壓部件的結(jié)構(gòu)強度設計基本要求是，在正常運行條件下這些部件的應力低于爆破強度的1/3，并以低于1/6作為低應力的標志，運用低應力設計措施的典型意義是減少脆性材料的強度失效風險。因此，低應力設計也作為HENG燃氣具中金屬結(jié)構(gòu)部件應對氫脆風險的措施，在企業(yè)標準Q/WHX T02122.1—2021中規(guī)定，對燃氣具密封件、器件級氣密性應按不低于21 kPa的試驗壓力進行結(jié)構(gòu)驗證。即結(jié)構(gòu)部件在最高工作壓力7倍的承壓條件下仍然保持正常的氣密狀態(tài)，換言之，相關密封件、零部件在燃氣具實際運行過程中，其最高應力水平明顯低于其爆破強度的1/7，確保金屬結(jié)構(gòu)材料的應力水平滿足低應力控制要求。

1.2.5 富氫就緒

考慮到HENG燃氣具推廣應用的便利性和經(jīng)濟性，例如，在城鎮(zhèn)燃氣切換時，是否需要重新購置燃氣具，另外，受原料氣質(zhì)量和成本等方面的影響，其成分可能出現(xiàn)一定范圍的波動，富氫燃氣具應當可以保持安全和性能穩(wěn)定。萬和公司提出了“富氫就緒”的概念，滿足“富氫就緒”要求的燃氣具，在12T向HENG的切換過程中，在氫氣比例不超過20%的氣源變化條件下，燃氣具無需改裝和調(diào)整即可適應。在不具備HENG供應條件的情況下，先使用12T，供應條件具備后可直接使用氫氣比例不超過20%的HENG。目前，萬和公司設計和開發(fā)的所有型號富氫燃氣具均符合“富氫就緒”的要求。

同時，滿足“富氫就緒”要求的燃氣具，一方面使燃氣具對氣源具有較寬范圍的適應能力，并在燃氣管網(wǎng)的燃氣切換過程具有明顯的優(yōu)勢；另一方面也可以簡化燃氣具生產(chǎn)過程的工藝方法和設施，使得利用現(xiàn)有天然氣燃氣具的生產(chǎn)過程檢測方法和設備，即可有效實現(xiàn)富氫燃氣具生產(chǎn)過程的質(zhì)量安全控制。雖然與僅適應特定單一氣種的HENG相比，這類燃氣具在技術和經(jīng)濟措施方面需要一些額外的代價，但是可獲得的回報是妥善解決上述兩個問題，降低未來HENG的商業(yè)化應用的成本。

在家用燃氣具領域，燃氣具對燃氣的適應能力主要體現(xiàn)在對燃燒特性的適應能力方面，具體反映在滿足燃燒穩(wěn)定性、安全性要求。燃氣具的符合性，通過規(guī)定的試驗進行，試驗方法和判定準則均按現(xiàn)行產(chǎn)品標準。由于每一種具體燃氣的特性實際上是由基準氣和界限氣以及不同的供氣壓力組合而成的，通常在產(chǎn)品上標識的氣種，準確來說只是基準氣，而每一種基準氣需要配套離焰、黃焰、回火界限氣，這些界限氣與相應的壓力組成的包絡線構(gòu)成燃氣具的安全、穩(wěn)定工作區(qū)域，現(xiàn)行產(chǎn)品標準對此已經(jīng)有詳細和具體的規(guī)定。

富氫就緒就是使燃氣具工作區(qū)域能夠覆蓋12T和HENG，實現(xiàn)方式包括無需服務人員現(xiàn)場切換和由服務人員現(xiàn)場切換兩種。前一種實現(xiàn)方式，要求燃氣具工作區(qū)域無縫覆蓋12T和HENG的工作區(qū)域；而后一種實現(xiàn)方式，12T和HENG的工作區(qū)域之間存在非工作區(qū)域。本課題的主要創(chuàng)新點之一，是確定HENG的界限氣，燃氣具是否具備富氫就緒特性，通過用這些界限氣按規(guī)定的試驗方法和判定準則確定。至于材料相容性問題，雖然也存在兩種燃氣的適應問題，是廣義的富氫就緒問題，但是，與燃氣適配性問題相關性較弱，所以，沒有將此問題納入富氫就緒的技術要求內(nèi)容。

綜上所述，燃氣具產(chǎn)品具備富氫就緒特性的設計要求，就是燃氣具對12T和HENG均具備良好的適應性，判定的依據(jù)是以12T和HENG的界限氣與相應的供氣壓力組合成試驗條件，按現(xiàn)行的產(chǎn)品標準規(guī)定的試驗方法和判定準則，檢查其符合性。

1.2.6 技術標準體系

由于尚無適用的國家標準和行業(yè)標準，萬和公司于2021年2月發(fā)布了富氫天然氣系列企業(yè)標準，包括富氫天然氣燃氣分類和基本特性，以及富氫天然氣家用燃氣具的通用標準和特殊標準。并在此基礎上，協(xié)助中國城市燃氣氫能發(fā)展創(chuàng)新聯(lián)盟發(fā)布了一系列聯(lián)盟標準，見表3。

表3 中國城市燃氣氫能發(fā)展創(chuàng)新聯(lián)盟標準Table 3 Alliance standards by China hydrogen development and innovation alliance for urban gas

2 產(chǎn)品性能評價分析

分別對富氫天然氣家用燃氣快速熱水器、燃氣采暖熱水爐及燃氣灶具進行測試，包括

（1）熱負荷、熱效率；

（2）過?？諝庀禂?shù)α = 1時，干煙氣樣中一氧化碳含量，記為COα=1；

（3）過?？諝庀禂?shù)α = 1時，干煙氣樣中氮氧化物量，記為NOX（α=1）。

內(nèi)部及外部實驗室測試結(jié)果匯總見表4～表6。

表4 富氫熱水器各主要技術指標對比Table 4 Comparison of main performances of HENG water heaters

表5 富氫采暖爐各主要技術指標對比Table 5 Comparison of main performances of HENG boilers

表6 富氫燃氣灶各主要技術指標對比Table 6 Comparison of main performances of HENG cookers

在熱負荷方面，隨著氫氣比例的增加，HENG的華白數(shù)、發(fā)熱量和相對密度逐漸降低，而在氫氣比例不超過20%時，HENG高位發(fā)熱量符合31.97～43.57 MJ/m3的波動范圍，華白數(shù)偏差在–1%～–6%之間，因此HENG會造成燃氣具熱負荷降低，但下降幅度并不大，這是目前歐盟THyGA項目以及國內(nèi)相關研究一致的觀點。

在熱效率方面，部分研究結(jié)果認為HENG的應用會使燃氣具的熱效率提高。但實際試驗發(fā)現(xiàn)，HENG對熱效率的影響并無明確規(guī)律，主要與產(chǎn)品的初始設計有關。例如燃氣灶具，如果按照12T氣源設計的鍋底熱強度恰好為5.47 W/cm2，則在使用HENG時會改變其原有的燃燒狀態(tài)，導致熱效率的下降；而對于熱水器和采暖爐，兩者均配有自控系統(tǒng)，而且有封閉的燃燒室和換熱結(jié)構(gòu)，經(jīng)過熱平衡分析，過量空氣系數(shù)與換熱效果（體現(xiàn)為煙氣溫度）的變化是產(chǎn)生熱效率差異的主要原因。

在燃燒產(chǎn)物方面，目前普遍認為HENG可降低COα=1含量。根據(jù)試驗結(jié)果顯示：COα=1含量普遍下降。不過，NOX（α=1）含量的變化未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。

在燃燒工況方面，利用界限氣按相關產(chǎn)品標準檢測，燃氣具均未出現(xiàn)回火、離焰和黃焰的現(xiàn)象。其中，適用氫氣含量為20%的HENG燃氣具的回火試驗條件為，試驗氣組分為VCH4=65% ，VH2=35% ，試驗壓力為1 kPa。

另外，經(jīng)測試驗證，滿足“富氫就緒”要求的燃氣具除了熱負荷發(fā)生小幅度的變化之外，安全性能、使用性能均保持不變。因此滿足“富氫就緒”要求的燃氣具可在計劃輸送HENG的地區(qū)提前安裝，燃氣具無需因為未來氣源切換而進行更新。

3 結(jié)束語

氫氣作為家用燃氣具的燃料的應用是氫能一種具有代表性的利用方式，相對于其他利用方式，具有技術成熟度較高和終端設備投資少等優(yōu)勢。純氫氣直接在住宅場所應用，無論輸配送管網(wǎng)等設施還是燃氣具，現(xiàn)有的條件均無法適應，因此，富氫天然氣家用燃氣具應用是現(xiàn)階段實現(xiàn)氫能利用的可行方案。從國內(nèi)外前期的多年研究、驗證情況來看，在12T天然氣中摻入比例不超過20%的氫氣，不論管網(wǎng)設施還是燃氣具的適應性調(diào)整工作相對簡單易行[5]。萬和公司在富氫天然氣家用燃氣具研發(fā)工作的實踐已經(jīng)表明，在現(xiàn)有12T天然氣家用燃氣具的基礎上，僅需要采取小幅度的技術變更，無需大幅度增加制造成本，就可以滿足適應摻氫比例為0～20%的HENG要求。不僅在使用12T的條件下滿足現(xiàn)行國標要求，而且滿足在使用HENG條件下，按企業(yè)標準規(guī)定的界限氣條件，通過依據(jù)現(xiàn)行國標規(guī)定的試驗方法和判定準則進行檢測的燃燒穩(wěn)定性、安全性等要求。

萬和公司的富氫天然氣家用燃氣具的研究和開發(fā)工作，主要解決了確定界限氣特性，并對材料相容性、泄漏控制、低應力控制、富氫就緒等問題，明確了滿足對摻氫比例為0～20%的HENG的適應性要求的技術措施和實施方案。研究表明，現(xiàn)有12T天然氣家用燃氣具可以適應氫氣比例不超過10%的HENG，同時，萬和公司的富氫天然氣家用燃氣具研發(fā)成果，為HENG的規(guī)?；瘧锰峁┝司哂泻侠砑夹g經(jīng)濟性的“富氫就緒”方案。

對富氫天然氣家用燃氣具的檢測結(jié)果分析，熱負荷、一氧化碳和二氧化碳隨HENG中氫氣比例的增加而降低，但是氮氧化物的變化趨勢則是不確定的，因此，氮氧化物的控制措施是未來研究的重點，此外，富氫天然氣家用燃氣具的市場準入管理課題也是未來的研究重點內(nèi)容。