氢能作为一种清洁、高能的二次能源，可以将气、电、热等能源网络有机联系起来，实现能量的双向流动。氢能将成为未来能源体系的重要组成部分，预计到2050年，氢能在全球终端能源的占比将达到18%，在我国终端能源体系占比将达到10%以上。2019年3月5日，国家发改委印发的《绿色产业指导目录（2019 年版）》，将“氢掺入天然气管道等设施的建设和运营”列入其中。
氢气与天然气相比，污染更小，不会产生温室气体。但目前氢气储运设施不完善，利用天然气管道混输氢气，不仅有利于减少温室气体的排放，燃烧产物也更为清洁，在降低天然气企业减排成本的同时，还可以实现氢气的低成本远距离输送，增强氢气生产企业的调配效率。在掺氢比例满足燃气互换性的要求下，终端用户也无需更换燃具燃烧器，不会增加额外的更换成本。然而由于氢气燃烧性质与天然气不同，氢的掺入会使点火能量和热值降低，可燃范围和爆炸极限范围增大。因此本文主要研究了掺入不同比例氢气对居民用户、商业用户、供暖用户、电厂以及一些特殊用户燃烧器的燃烧性能的影响。
燃气用户类型
以北京市为例，目前天然气在能源消费结构中占比为34%，天然气供暖面积占全市供暖面积的80%以上。
北京市天然气用户种类多，目前天然气燃烧设备主要包括居民用户的灶具、供暖热水炉、热水器，商业用户的大锅灶，供暖用户的锅炉，电厂用户的燃气轮机。此外，CNG加气母站利用压缩机将管道天然气加压后供给用户；天然气液化工厂将管道天然气净化处理后送至冷箱液化，供给LNG用户。不同种类用户对于燃气的热值、连续性以及氢敏感性均有所差异，在进行管道天然气掺氢时，应分别予以考虑。
天然气掺氢互换性计算
根据GB/T 13611—2018《城镇燃气分类和基本特性》，主要依据高华白数和高热值对城镇燃气进行分类。本文选取北京市某门站气源作为基础气进行互换性计算，以12T天然气的高华白数和高热值范围作为掺氢后互换性的评判依据，从而确定天然气的最大掺氢比例。掺氢比例指混合气体中氢气的体积分数。
3.1 热值与华白数
3.2 不同掺氢比例对互换性的影响
根据GB/T 13611—2018《城镇燃气分类和基本特性》，12T天然气的特性指标见表1。本文主要以表2中北京市某门站气源为基础气进行分析和试验。根据式（1）、（2）计算得到不同掺氢比例时混合气的高华白数和高热值，根据计算结果绘图得到试验气高华白数和高热值与掺氢比例的关系，同时根据12T天然气的指标范围，确定可接受的掺氢比例，见图1、2。图1、2中红色虚线框对应12T天然气的指标范围。
表1 12T天然气的特性指标
表2 试验气的性质
图1 试验气高热值与掺氢比例的关系
图2 试验气高华白数与掺氢比例的关系
从图1、2可以看出，试验气满足12T天然气高热值范围的最大掺氢比例为23%，满足12T天然气高华白数的最大掺氢比例为42%。只有高热值与高华白数均满足要求，才认为试验气理论上可与12T天然气互换。即掺氢比例小于等于23%的试验气理论上可与12T天然气互换。
居民用户及商业用户燃烧设备掺氢比例
早在大唐煤制气（组成见表3）引入北京时，我们就对大唐煤制气掺氢对居民用户和商业用户燃烧设备燃烧性能的影响进行了研究。选取当时市场上完全预混和部分预混的主流燃烧设备，试验测试了不同掺氢比例（氢气体积分数为0~60%）对燃烧设备燃烧性能的影响。试验发现，居民用户和商业用户燃烧设备对燃气热值及供应连续性要求不高，对氢的敏感性较弱，且掺氢后污染物排放有不同程度的减少。以掺氢比例为5%为例，与不掺氢气相比，各燃烧设备污染物排放情况见表4。
表3 大唐煤制气组成
表4 掺氢比例为5%时各燃烧设备污染物排放情况
试验研究得出如下结果：
①当掺氢比例约为50%时，燃气燃烧速度有所增大，可克服因天然气火焰软而影响热效率这一缺点，可以提高燃烧器的加热效率。但是，燃烧噪声也会变大，甚至发生回火。
燃具类型燃烧器类型额定热负荷/kW实测热负荷/kW与不掺氢气相比，污染物排放情况
家用燃气灶完全预混燃烧器3.53.5CO降低15%，NOx基本不变部分预混燃烧器3.43.3CO降低16%，NOx降低14%
②不同燃具类型燃烧器，出现燃烧不稳定的掺氢比例存在差异。在家用燃气灶、燃气热水器、燃气供暖热水炉、燃气大锅灶中，燃气大锅灶对氢最为敏感，出现异响的掺氢比例为16%，出现回火的掺氢比例为17%。
③随着掺氢比例不断增大，主要污染物CO和NOx的体积分数均存在一定程度的降低，有较好的环境效应。
④综合互换性计算与试验研究结果可知，16%的掺氢比例不会对目前的居民用户及商业用户燃烧设备产生显著影响。
供暖用户燃烧设备掺氢比例
目前北京市供暖用气占比较大，供暖用户是天然气的重要使用单位，因此天然气掺氢也需重点考虑供暖用户的情况。2019年，国家电投集团在朝阳市的掺氢示范项目（掺氢比例为10%），验证示范了氢气“制取—储运—掺混—综合利用”产业链关键技术，其中重要的一环就是在锅炉等终端利用设备使用。根据国际能源署（IEA）对天然气价值链各环节允许的最大掺氢比例的阐述可知，锅炉的最大掺氢比例为30%。英国HyDeploy掺氢示范项目的掺氢比例达20%［4］，测试的设备包括燃气锅炉，测试结果表明，所测试的各种设备均能在该掺氢比例下安全运行。
燃气轮机等特殊燃烧设备掺氢比例
截至2020年底，北京市共运行14座电厂，燃气轮机主要来自于三菱、西门子、GE公司。西门子的燃气轮机要求掺氢比例小于1%，三菱和GE的燃气轮机要求掺氢比例小于3%。当掺氢比例过高时，燃气轮机的非耐火部件会损坏，氢气燃烧扩散速度快，火焰更靠近燃烧器，容易导致燃烧器超温、熔损。掺氢比例控制不稳定，会引起华白数频繁波动，可能引起燃气轮机燃烧脉动异常，造成燃烧系统部件损坏。但有国外学者认为，经过整改和调整的燃气轮机一般能适应5%~10%的掺氢比例。
目前，北京市共运行11座CNG加气母站，主要供气来源为次高压管网。根据文献［5-6］，压缩机对氢较为敏感，要求的掺氢比例较小。北京燃气集团建设的西集天然气液化工厂，紧邻西集门站，为4 MPa高压气源，液化工厂的冷箱要求天然气不能含有氢气，一旦混入氢气，无法将其脱除。
综合分析，建议在不进行改造的情况下，供给电厂、CNG加气母站、天然气液化工厂的天然气避免掺氢。
结论
①只有高热值与高华白数均满足12T天然气的指标范围，才认为试验气（掺氢后的天然气）理论上可与12T天然气互换。计算得出，掺氢比例小于等于23%的试验气理论上可与12T天然气互换。
②综合互换性计算与试验研究结果及示范项目可知，10%的掺氢比例不会对居民用户燃烧设备产生显著影响。随着掺氢比例不断增大，主要污染物排放均存在一定程度的降低。
③城市燃气用户中供暖用户用气量占比较大，且居民用户、商业用户燃烧设备更新换代快，建议对掺氢对这些用户燃烧设备燃烧性能的影响进行系统性研究。
④电厂的燃气轮机、CNG加气母站的压缩机、天然气液化工厂的冷箱对氢敏感性强，目前可接受的掺氢比例较低，建议避免向此类用户的气源掺氢。随着技术的发展以及工艺的改进，未来也存在向此类用户掺氢的可能性。
（作者：乔佳，闫松，郭保玲，马旭卿，程韦豪；第一作者单位：北京市燃气集团研究院；摘自《煤气与热力》2022年8月刊）
