天然气掺氢对终端用户的影响

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介于10%〜20岫勺情况下，

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30^50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W22

HRC,并且其抗拉强度最好W93MPa。目前，虽然针对掺氢天然气输

送管线还没有正式出台相应规范，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ASMEB

31.12-2019《氢气管道》和CGAG-5.6《氢气管道系统》及国家标准

GB50177—2005《氢气站设计规范》和GB17820—2018《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

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

Tabic1Thecomparisonofhydrogenandnaturalgas

空中艇小空气中的空气中的空气中的最小

相用密度/爆等收取/低热(fl/

物质点火火旷敢累败，火给玛度/燃畿速度/泞领，岗/

分，啦tit(kg*mt)%(MbnC)

mJ（enr,s-*）七cm

2.0160.0K270.0174.075.006110.222045265725OOM

人然气

[6(M30.65940274。01635.901«7534770.203

（甲烷）5.375

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。

播发比例必

(•)比热"随着撑辄比的变化

图1推羯天然气希整变化

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%ai.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虬

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，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DEVRIESH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

11.2%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。

(a)捧辄比0%(b)撑乳比10%«c)捧乳比20%

1d)掺乳比30%(e)撑氧比40%

图2各种推氢比下火燃形态M

1)燃烧特征。通过对典型居民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%。ZHA0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。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C0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GB16410

—2007《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-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，C0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所不。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，目前最佳掺氢比为23%o

«2氧气锅炉的应用情况

[able2Applicationofhydrogenboilcr

年盼应用情况运营效果

国内需I台年立辄气则区.

2002।行证式氧气网炉在上海氯啾化।股份“限公司正式投产

在运茸期间产生/R好的经济效益

人津LG加海化学公司阳f麒烧碱装置2匕45t/h二气锅炉.

2006投产运行以来.操作方便.女个,确定

使用氯装置生产的高纯氧气(99«%)和市政天然气作为燃料

河南神4疑发化I股份仃限公司选购运行至2016q.取得羟济效益2000i；

2010

副产氧气1台6t/h燃乳蝌炉回收力元.后因产能升级珞燃久钢炉拆除

安庄中科化学有限公司投优年设了以乳气为出料的蒸汽御炉.

2011投产至今.蝌炉运行状况丧好

为厂区提供旗汽

水火化T有限公司新建空的国气lOVh辄气锅炉.

费洲首行时•式箕气蝌炉

2012同枚利用抬线装R放空的氢气

3.2燃气轮机

燃气轮机通过燃烧燃料与空气混合物产生的热气，来推动涡轮机旋转

以产生动力。涡轮机排出的热废气中产生的热量可以回收，产生蒸汽,

可用于蒸汽轮机或其他机械设备。添加氢气到天然气管网对燃气轮机

影响的相关研究中指出，除了一些可以接受高掺氢比(>50%)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＜5%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，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矶的掺氢研究、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。

表3燃机厂商氢燃料燃机研究进展

Table3Researchprogressofhydrogenfueltuibinemanufacturers

公司可适应掺乳比主要解决的同即机型

-U也动力系统30%~90%NO.排放及㈣火问图M70IF/J

西“子能源公司60%WTNO,抒放,增月制造SGT-60G-SGT-R00

安然尔多徒源公司0%〜100%开发光避燃烧系统GT261i「36

通用电气发电公M0%700%环形燃烧器.多吨嘴的烧翳.增材JW造6BHE/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。

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。

在气掺氢比介于0%〜4096间内，天然气HCCI引擎的燃烧活动及其排

放表现出C0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0.39%,而自耗的气量、所需能源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