家用燃气具对掺氢天然气的适用性评估与示范应用

家用燃气具对掺氢天然气的适用性评估与示范应用

杜文芬 

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摘要：氢能作为零碳燃料，成为世界公认的重要能源载体。然而由于大规模储氢成本高、氢燃料电池技术不成熟、氢气基础设施不完善、氢安全的不确定性，目前国内对于氢能的利用尚存在局限性，主要聚焦在交通领域。在工业和民用领域，由于缺少相关的行业标准、国家标准，仍缺乏成熟的应用场景和商业模式。目前天然气生产、输运、供给以及终端使用系统已较为完善，利用现有天然气网络掺氢，然后实现氢消纳是加速化石能源向氢能过渡的有效方案，是实现大规模氢能应用及高效运输氢的一种较好的方式。同时，天然气掺氢的研究和应用可以为氢燃料的推广使用积累经验。2021年，基于某示范项目（20%掺氢）需求和提供的实际场景，系统开展了现役家用燃气灶具使用掺氢天然气的燃烧性能测评和现场示范应用研究，在模拟厨房场景中验证民用燃气具使用掺氢天然气的适应性、安全性和经济性，以解决氢进万家落地实施中的最后一公里难题。基于此，本篇文章对家用燃气具对掺氢天然气的适用性评估与示范应用进行研究，以供参考。

关键词：家用燃气具；掺氢天然气；适用性评估；示范应用

引言

相关科学数据表明，工业革命以来人类的大规模活动所造成的CO2排放是影响当前全球气候变暖的重要因素。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）在《2020年排放差距报告》中指出：“控制碳排放、达成碳中和是控制全球升温的关键。”截至2021年4月，全球已有100多个国家正式通过、宣布或承诺在21世纪中叶左右实现净零排放目标。氢能因其无碳化、可再生的属性，将在未来的能源应用领域内具有先天优势和广阔的运用前景基于我国当前对于氢能运用研究发展现状，总体来说，氢燃料电池汽车是最受关注的方向，也是建设氢能社会和提高公众对氢能接受度的着手点。但天然气掺氢也应是氢能利用的重要方向之一。天然气掺氢技术的研究与发展，可对现阶段氢气运输、氢能的广泛及规模运用开拓更多的可能性，对于整个氢能产业的发展以及我国能源利用的低碳化、清洁化进程具有推进意义。

1天然气掺氢产业链范畴

制氢技术路线主要有化石燃料重整制氢（如煤制氢、天然气制氢）、工业副产氢（如焦炉煤气副产氢、氯碱工业副产氢）、清洁能源电解水制氢、其他制氢新技术（如太阳能光解水制氢、生物质制氢）。我国是世界最大的制氢国，制氢产量约为3.3×107t/a；煤制氢作为我国现阶段的主要方案，技术成熟度高且成本相对低，但碳排放量大、环境污染问题不容忽视。未来随着风能、太阳能等新能源发电成本的降低，“可再生能源+电解水制氢”将降低碳排放强度，成为大规模制氢的优选方案。天然气掺氢产业链的中游环节包括混氢、掺氢天然气储运，按照应用场景可分为向天然气长输管道、城市燃气管网掺混一定比例氢气来分别实现天然气掺氢输送。天然气、氢气均为清洁能源气体，天然气储运基础设施、关键设备对氢气均有一定的适应性；但天然气与氢气在能量密度、爆炸极限、扩散系数等特性方面又有明显差别，使得天然气掺氢输送对管材的适应性有特定要求，也会对压缩机、调压器、储气库、储罐、阀门等关键设备性能产生潜在影响。已有研究表明，利用天然气管网输送低掺氢比天然气，原有管网的适应性较好；输送高掺氢比天然气，则需要更新（或改造）原有管材及设备，升级安全防控与应急技术体系。天然气掺氢产业链的下游环节主要是终端多元应用生态。居民用户、商业用户、工业用户等终端用户，既可直接使用掺氢天然气，也可将掺氢天然气进行提氢分离后再分别使用。例如，建筑领域可将掺氢天然气应用于燃气灶、燃气热水器、燃气壁挂炉、小型锅炉等；工业领域可将掺氢天然气应用于工业锅炉、燃气轮机、燃气内燃机、工业窑炉、工业燃烧器等。掺氢天然气在交通领域也有良好的应用前景，如使用掺氢天然气燃料有效提高天然气发动机的热效率并降低污染物排放。

2产品性能评价分析

分别对富氢天然气家用燃气快速热水器、燃气采暖热水炉及燃气灶具进行测试，包括（1）热负荷、热效率；（2）过剩空气系数α=1时，干烟气样中一氧化碳含量，记为COα=1；（3）过剩空气系数α=1时，干烟气样中氮氧化物量，记为NOX（α=1）。在热负荷方面，随着氢气比例的增加，HENG的华白数、发热量和相对密度逐渐降低，而在氢气比例不超过20%时，HENG高位发热量符合31.97～43.57MJ/m3的波动范围，华白数偏差在–1%～–6%之间，因此HENG会造成燃气具热负荷降低，但下降幅度并不大，这是目前欧盟THyG项目以及国内相关研究一致的观点。在热效率方面，部分研究结果认为HENG的应用会使燃气具的热效率提高。但实际试验发现，HENG对热效率的影响并无明确规律，主要与产品的初始设计有关。例如燃气灶具，如果按照12T气源设计的锅底热强度恰好为5.47W/cm2，则在使用HENG时会改变其原有的燃烧状态，导致热效率的下降；而对于热水器和采暖炉，两者均配有自控系统，而且有封闭的燃烧室和换热结构，经过热平衡分析，过量空气系数与换热效果（体现为烟气温度）的变化是产生热效率差异的主要原因。在燃烧产物方面，目前普遍认为HENG可降低COα=1含量。根据试验结果显示：COα=1含量普遍下降。不过，NOX（α=1）含量的变化未呈现明显的规律性。VCH4=65%VH2=35%在燃烧工况方面，利用界限气按相关产品标准检测，燃气具均未出现回火、离焰和黄焰的现象。其中，适用氢气含量为20%的HENG燃气具的回火试验条件为，试验气组分为，，试验压力为1kPa。另外，经测试验证，满足“富氢就绪”要求的燃气具除了热负荷发生小幅度的变化之外，安全性能、使用性能均保持不变。因此满足“富氢就绪”要求的燃气具可在计划输送HENG的地区提前安装，燃气具无需因为未来气源切换而进行更新。

3现场示范测试

2021年，某示范基地开展民用天然气掺氢示范，并于10月邀请国内近20家能源和燃气企业共同见证了掺氢天然气（含氢比例10%）在民用燃气具上的成功点火和食物烹饪（如图1示），这代表着氢能的综合利用向“氢进万家”又迈出了坚实的一步，也为后续推动天然气掺氢管道输送技术普及奠定了重要基础。

图1富氢灶具煮饺子

该示范项目于2021年5月开始筹备，基于上文所述实验室测试结果分析民用掺氢可行性。由某市煤气热力工程设计院出具模拟厨房场景的燃气管路和安全监测设计方案，由示范所用燃气具，包括燃气灶具、燃气热水器和燃气壁挂炉，历时3个月建设完成投入使用。民用模拟厨房中设有7台燃气具，包括2台热水器、2台壁挂炉和3台燃气灶，燃气具分布及管路和自控设计如图1所示。示范过程中使用掺氢比例为10%的掺氢天然气。

结束语

总而言之，氢气作为一种理想的新能源具有广阔的运用前景，我国氢产业化发展处于起步阶段，开展天然气掺氢方面的系统整体性研究，可为氢气社会的发展探索并开启更多的路径。

参考文献

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[2]黄逊青.氢气归来：富氢天然气的利用前景[J].电器,2020(09):74-78.

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