天然氣摻氫對城市燃氣用戶的影響

氫能作為一種清潔、高能的二次能源，可以將氣、電、熱等能源網絡有機聯系起來，實現能量的雙向流動。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，國家發改委印發的《綠色產業指導目錄（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，燃燒產物也更為清潔，在降低天然氣企業減排成本的同時，還可以實現氫氣的低成本遠距離輸送，增強氫氣生產企業的調配效率。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GB/T 13611—2018《城鎮燃氣分類和基本特性》，主要依據高華白數和高熱值對城鎮燃氣進行分類。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天然氣的高華白數和高熱值范圍作為摻氫后互換性的評判依據，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。

3.1  熱值與華白數

3.2  不同摻氫比例對互換性的影響

根據GB/T 13611—2018《城鎮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。根據式（1）、（2）計算得到不同摻氫比例時混合氣的高華白數和高熱值，根據計算結果繪圖得到試驗氣高華白數和高熱值與摻氫比例的關系，同時根據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

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天然氣高華白數的最大摻氫比例為42%。只有高熱值與高華白數均滿足要求，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（氫氣體積分數為0~60%）對燃燒設備燃燒性能的影響。試驗發現，居民用戶和商業用戶燃燒設備對燃氣熱值及供應連續性要求不高，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，出現燃燒不穩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，出現異響的摻氫比例為16%，出現回火的摻氫比例為17%。

③隨著摻氫比例不斷增大，主要污染物CO和NOx的體積分數均存在一定程度的降低，有較好的環境效應。

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用戶燃燒設備產生顯著影響。

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”產業鏈關鍵技術，其中重要的一環就是在鍋爐等終端利用設備使用。根據國際能源署（IEA）對天然氣價值鏈各環節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。摻氫比例控制不穩定，會引起華白數頻繁波動，可能引起燃氣輪機燃燒脈動異常，造成燃燒系統部件損壞。但有國外學者認為，經過整改和調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。根據文獻［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、商業用戶燃燒設備更新換代快，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）