在能源短缺和环境恶化两大困境的威胁下，可持续清洁能源的开发日益迫切[1]。氢能是最理想的新能源之一，作为一种具有绿色、高效且可持续发展特点的柔性二次能源，可作为解决能源危机的终极方案[2]。
近年来，欧洲各国先后尝试利用风电、太阳能等清洁电力电解制氢，再加以储存和利用的电转气(power to gas, P2G)模式。电转气是利用可再生能源产生的电能电解水制取氢气；随后，将氢气与二氧化碳反应制备甲烷加以利用，或者直接将制得的氢气与天然气按一定比例混合，通过天然气管道进行储存运输[3]。
天然气掺混氢气技术已日渐成熟，截至2018年8月，欧洲已开展50余个电转气示范项目。2004~2009年，欧洲燃气研究集团开展了名为“NATURALHY”的项目，较为系统地研究了天然气掺混氢气进行输送对于整个天然气系统的影响[4]；2008~2011年间，荷兰进行了将氢气掺入到当地天然气输气管网的实验，年均氢气掺入天然气的体积分数达12%[5]；法国敦刻尔克的“GRHYD”项目直接将制得的氢气掺入天然气中输送给超过200户居民及HCNG加气站使用，氢气掺入体积分数最高达20%[6]。与此同时，美国国家可再生能源实验室也积极对天然气掺混氢气技术进行研究，为日后发展氢气利用天然气管道输送及下游萃取技术做铺垫[7]。欧美各国开展的天然气掺混氢气实验可为大规模消纳电转气制取的氢气提供技术支撑。
当前，我国弃电形势严峻，年“弃风”“弃光”“弃水”总量达1000×108 kW·h，利用弃电进行大规模制氢或成为解决清洁电能并网难问题的有效途径。国内主要城市的天然气管网体系建设完备，通过天然气掺混氢气可消纳电转气制取的大量氢气，并为解决弃电问题及提升可再生能源在能源消费中的占比提供了保障。在天然气掺混氢气管道输送方面，赵永志等认为掺入的氢气对配送管道的影响较小，对输送管道的影响还需进一步评估，而随着氢气掺混比例提升，风险也增大[8]；麻东等分析认为需加强管道对氢脆现象的防护，着重对管道损伤和裂缝进行处理[9]；张小强等分析了天然气掺混氢气的管材适用性，认为如果管道钢级低于X52(含X52)，则该天然气管道可用于输送氢气体积分数小于10%的混合天然气[10]。另一方面，掺氢天然气在应用过程中的安全性及尾气排放指标也十分重要，尤其是针对家用燃气设备的燃烧特性评估。
本文基于家用燃气设备进行实验和分析，评价掺氢天然气在燃气灶具、热水器以及日益普及的燃气热水炉中燃烧的安全性和尾气排放是否符合现行国家标准，是否有助于减少污染的排放。首先，本文根据天然气与氢气物化特性及国家燃气标准确定合适的掺氢体积比例(后文均为体积比例)；其次，选择天然气类的灶具、热水器、燃气采暖热水炉作为实验样品，将掺混一定比例氢气的12T-0天然气在家用燃气具中燃烧，测试其安全性与烟气排放特性，在燃气具不做任何调整情况下，验证燃具的点火率、火焰稳定性与烟气排放性能等方面是否全部合格，是否符合国内现行国家标准。
本文研究对象为天然气掺混氢气为基底的混合气体，但氢气与天然气在物理化学性质上有许多的相似点，同时某些参数上又差异比较大，见表 1。
氢气与天然气在火焰传播速度、燃烧界限、爆炸极限、发热量等方面均有较大差异性，而燃气在家用燃气具中燃烧过程较为复杂，且氢气与天然气具有不同物理化学特性，两种气体的混合气是否能在家用燃气具中安全燃烧，以及燃烧之后的尾气排放相对于原天然气燃烧而言具有何种特点，均有待深入研究。
所有的燃气具均按照一定的燃气组分来设计，若改变燃气组分，以一种燃气替代另一种燃气，或往其中一种燃气中掺混入另一种燃气，都会使其燃烧特性发生改变。由于燃气本身的发热量、密度等发生变化，燃气具的热负荷、火焰稳定性甚至一次空气系数均会发生改变。因此，提出燃气互换性概念是用于判断燃气组分差异值是否超出了允许的范围；当供给用户的燃气组分发生变化时，只有置换气与基准气具有互换性时，才能保证用户使用燃气的安全性和经济性[11]。
GB/T 13611-2018《城镇燃气分类和基本特性》规定了我国城镇燃气的类别及特性指标：我国城市燃气供应以12T天然气为主，而12T-0的高华白数为50.73 MJ/m3；12T天然气选择的界限气华白数上限为黄焰和不完全燃烧界限气，下限是脱火界限气；分别对应的高华白数为：54.78 MJ/m3、45.67 MJ/m3；规范还规定12T天然气的高位发热量在31.97~43.57 MJ/m3的范围内[12]。
相对于基准气(12T-0)的上限高华白数波动值为：
相对于基准气的下限高华白数波动值为：
即12T天然气的高华白数允许波动范围为：-9.97%~7.98%。
根据国际现有项目的开展经验，在考虑燃气的热效率与符合条件下，以12T-0作为掺混基准基底气，选取20%(体积分数，下同)及以下的掺氢比例作为实验用气，可以得出混合气的华白数与发热量如表 2所示。
随着氢气掺入比例的提高，混合气的华白数、发热量和相对密度逐渐降低，而在20%及以下掺混比例，混合气高位发热量符合31.97~43.57 MJ/m3的波动范围，掺混后的燃气华白数偏差在-1%~-6%之间，也符合12T天然气的高华白数-9.97%~7.98%的波动范围，但随着华白数和发热量的降低，可能会造成燃具的热负荷降低，消费者在使用5%~20%的掺氢天然气时，燃气的消耗量可能会有所增加。
(1) 根据《煤气设计手册》(下册)煤气互换性和通用燃烧器的设计规定，燃气低华白数波动范围不大于10%时，该气种可在商业、居民用户的燃具上使用[13]。掺混后的燃气华白数偏差为-1%~-6%，满足国内外对于华白数波动范围不大于10%的要求。
(2) GB 17820-2012《天然气》产品分类和技术要求、输送和使用3.3条文规定“作为民用燃料的天然气，总硫和硫化氢含量应符合一类气或二类气的技术指标”[14]。表 2显示，掺5%氢气的混合天然气高位发热量为36.0 MJ/m3，符合GB 17820-2012中一类天然气高位发热量不小于36.0 MJ/m3的技术指标；其他气最低的高位发热量为32.1 MJ/m3，符合二类天然气高位发热量不小于31.4 MJ/m3的技术指标。故而，掺氢比例为5%~20%的混合燃气符合GB 17820-2012用作民用燃料的指标要求。
(3) 结合天然气掺混氢气气质特性指数与GB/T 13611-2018对12T天然气的要求，可以得出天然气和天然气掺混氢气的高华白数与高位发热量的关系，如图 1所示。
通过分析，掺氢比例为5%~20%的混合燃气的气质指标在12T天然气规定范围内，符合GB/T 13611-2018对12T天然气的技术指标要求。
(4) GB 50028-2006《城镇燃气设计规范》中燃气质量3.2.1条规定，城镇燃气质量指标应符合下列要求：①城镇燃气(应按基准气分类)的发热量和组分的波动应符合城镇燃气互换的要求；②城镇燃气偏离基准气的波动范围宜按现行的国家标准GB/T 13611-2018的规定采用，并应适当留有余地[12]。
对比燃气质量规定，掺氢比例为5%~20%的混合燃气气质符合GB 50028-2006相关条款的要求。
基于我国现行的相关燃气气质和分类的技术标准，计算了掺混燃气的华白数和发热量。理论分析发现，掺混后的燃气(高)华白数偏差在-1%~-6%之间，满足国内外对于华白数波动范围不大于10%的要求，且华白数与发热量落在12T天然气气质波动要求范围内。综上4点所述，对比掺氢天然气与国家相关要求，在12T天然气基准气中掺氢气5%~20%形成的混合燃气产品，其参数指标方面满足天然气行业现行相关质量标准和燃气可互换的规定。
本次实验，选择天然气类的灶具10台(台式灶、嵌入式灶、集成灶各2台，红外灶4台)、热水器6台(自然排气式热水器1台、强制排气式热水器5台)、燃气采暖热水炉2台，用于测试掺混一定比例氢气的12T-0天然气在家用燃气具中燃烧的安全性与烟气排放特性。在燃气具不做任何调整情况下，测试燃具的点火率、火焰稳定性与烟气排放性能等方面是否全部合格，是否符合国内现行国家标准。
在民用燃烧器中，安全是第一位的。燃烧工况是指火焰传递、火焰均匀性、离焰、黄焰、回火等火焰特性。家用燃气具正常工作状态下应具有稳定的、燃烧完全的火焰结构，而不正常的火焰则会产生离焰、黄焰、回火和不完全燃烧的现象，恶劣的燃烧工况最直接的影响是排烟中CO、NOx等对人体有害物质的激增。因此，需对不完全燃烧的现象进行限制，以保证用户的人身安全。燃烧工况测试方法依据GB 16410-2007《家用燃气灶具》、GB 6932-2015《家用燃气快速热水器》及GB 25034-2010《燃气采暖热水炉》进行。
(1) CO体积分数。家用燃气具燃烧干烟气中的CO体积分数是强制性指标，是对使用者身心健康和人身安全有直接影响的指标，干烟气中的CO体积分数若超出标准，则判定为不合格。
烟气成分数据采样通过烟气分析仪采集，家用灶具烟气的采样方法按GB 16410-2007执行；热水器在无风状态下的烟气采集依照GB 6932-2015的规定进行；燃气采暖热水炉在无风状态下的烟气采集按GB 25034-2010的要求执行。
(2) NOx体积分数。燃气燃烧时在排放出CO有毒气体的同时，O2与N2会发生化学反应，生成NO和NO2等微量气体，统称为氮氧化物NOx，其对人体的毒性比CO高出很多倍，还会形成化学烟雾危害环境，近年来引起世界各国的高度重视。NOx的产生与燃烧温度、烟气中O2含量等因素有关。我国现行国家标准中未对NOx排放量进行强制规定，本文仅研究NOx排放的变化趋势。
燃气具的安全适应性主要是考核天然气类家用燃气具在使用天然气掺混氢气时的点火率、火焰稳定性，出现脱火、回火、离焰、黄焰或不完全燃烧等不正常燃烧现象均为安全不适应。
家用燃气灶具、燃气热水器、燃气采暖热水炉在使用12T-0天然气基准气与天然气掺混氢气时的安全适应性测试结果如表 3所示。结果表明，家用燃具的点火率、火焰稳定性与烟气排放等各项安全适应性指标均合格。故而掺混5%、10%、15%及20%氢气的12T-0天然气在现有家用燃气灶具中燃烧均符合国家标准要求的安全适应性。
家用燃气具的烟气排放同样为考核燃气具是否合规的必要考量标准，本文选用12T-0天然气基准气和不同掺氢比例的天然气作为实验气，测试家用燃气具的烟气排放各指标随掺氢比例不同的变化情况。
通过燃气具烟气CO的测试数据分析可知(见图 2)，使用12T-0天然气基准气及掺混天然气的家用燃气灶具，其烟气CO排放量均低于国家标准GB 16410-2007要求的0.05%，同时随着氢气掺混比例的增加，烟气排放中CO的体积分数逐步降低，最低达到0.001%，远低于国家标准的要求。此外，不同类型灶具的烟气CO排放变化情况也具有差异性，随着氢气掺混量的增加，嵌入式灶具烟气中CO体积分数的变化幅度最大，集成灶次之，台式灶变化较小；而红外灶的CO烟气排放表现最佳，在各气体组分测试中均处于最低值，远低于国家标准要求的阈值要求。
相较CO的变化情况而言，家用灶具烟气中NOx体积分数变化呈现趋势较为不同(见图 3)。使用掺氢天然气的灶具，烟气NOx排放量均未有显著上升情况，低于使用12T-0天然气基准气的排放情况，但因几种燃具的初始NOx排放性能较为良好，随着氢气掺混比例的提升，NOx排放量呈波动状态。同时，不同类型的灶具NOx排放情况也呈现较大的差异，其中红外灶的NOx整体排放为最小，远远优于其他类型的灶具。
图 4为家用燃气热水器的烟气排放结果，分析可知，使用12T-0基准天然气的家用燃气热水器的烟气CO排放量低于标准要求的0.06%，同时使用掺氢天然气的热水器也满足国家标准要求，并且随着氢气的增加CO排放量均呈现降低趋势；烟气中NOx排放量随着氢气的增加排放量波动较小，未有明显上升或降低的趋势产生，与灶具的烟气排放规律基本一致。
图 5为家用燃气采暖热水炉的烟气排放结果，分析可知，采暖热水炉的烟气CO排放值都低于标准要求的规定值0.1%，同时随着氢气的增加CO排放量进一步降低；烟气NOx排放量随着氢气的增加排放量显著降低，有助于治霾物质的产生。
经过实验测试与实验结果对比分析表明，当掺氢天然气中的氢气比例在20%以内时，掺氢天然气在常规天然气类家用燃气具上可直接应用，且燃气具安全性和技术性等性能指标均处于正常范围之内。根据实验结果，本研究具体得出以下结论：
(1) 在12T基准气中掺氢气5%~20%的混合燃气符合GB 17820-2012《天然气》标准用作民用燃料的指标要求，其中掺5%氢气的混合天然气高位发热量符合GB 17820-2012中一类天然气的技术指标，其他气最低的高位发热量符合二类天然气技术指标，且符合GB/T 13611-2018《城镇燃气分类和基本特性》中12T天然气的技术指标要求，以及GB 50028-2006《城镇燃气设计规范》相关条款的要求。
(2) 在12T基准气中掺混氢气比例在5%~20%时，虽然低华白数有1.3%~5.3%的损失，但在家用燃气具不做任何调整情况下，测试燃具的点火率、火焰稳定性与烟气排放性能等全部合格，即家用燃气具在安全性能方面满足适应气质转换要求。但随着掺氢比例的增加，华白数和发热量的降低，可能会造成燃具的热负荷降低，进而可能造成燃气消耗量上升，对此还需进一步研究。
(3) 5%~20%的掺氢天然气的家用燃气具烟气排放指标满足标准要求，并且排放烟气中的CO与NOx体积分数随着氢气的增加而呈现降低趋势，对未来开展管道掺氢项目以降低碳排放及污染物排放具有理论和实践指导意义。
(4) 由于氢原子有可能进入钢材基体，造成氢脆现象，特别是复合材料、高标号的钢材的管道等，这使得天然气掺混氢气存在一定风险，对此还需进一步的研究。
2019, Vol. 48 Issue (2): 50-56
2019, Vol. 48 Issue (2): 50-56