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【論文精選】天然氣摻氫技術應用現狀與分析

時間：2021-10-16 來源：瀏覽：

【論文精選】天然氣摻氫技術應用現狀與分析

原創(chuàng) 王洪建，等煤氣與熱力雜志

煤氣與熱力雜志

微信號 GAS-HEAT1978

功能介紹《煤氣與熱力》始于1978年，創(chuàng)刊于1981年，中國核心期刊，中國土木工程學會燃氣分會會刊。篩選燃氣供熱行業(yè)最有價值的技術信息，新聞分類整理、政策標準、熱點討論、投稿查詢、論文檢索、寫作指導、編委風采、精品會議……

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作者：王洪建，熊思江，張曉瑞，王沐，孫明燁，王卓群，吳榮，福鵬

第一作者單位：北京市煤氣熱力工程設計院有限公司

摘自《煤氣與熱力》2021年10月刊

天然氣摻氫技術是未來天然氣行業(yè)發(fā)展的重要方向之一，也成為美國、德國、法國等國家重點發(fā)展的氫能技術。本文中所有摻氫比例均指氫氣占混合氣體的體積分數。

1 摻氫天然氣輸送技術

①已開展的相關示范項目

摻氫天然氣管道輸送方面的研究比較多，研究內容包括摻氫天然氣對終端用戶的影響 ^［ ^1-2 ^］、管材性能劣化規(guī)律 ^［ ³ ^］、完整性管理與風險評價、泄漏監(jiān)測、終端氫氣提純 ^［ ⁴ ^］等。

目前，已經開展的相關示范項目主要集中在城市燃氣管道方面。荷蘭、法國、德國、英國、澳大利亞等國家開展了多項管道天然氣摻氫示范工程。 2008 — 2011 年，荷蘭在 Ameland 島開展將風電氫摻入當地天然氣管網的示范項目，其中 2010 年年均摻氫比例高達 12% 。 2014 年，法國開展了為期 5 年的“ GRHYD ”摻氫天然氣應用示范，除將風電氫以體積分數低于 20% 的比例注入天然氣管網外 ^［ ⁵ ^］，還將摻氫比例為 6% ～ 20% 的摻氫天然氣通過壓縮天然氣加氣站供 50 輛天然氣大巴車使用 ^［ ⁶ ^］。 2015 年，德國在 Reitbrook 地區(qū)興建了 1.5 MW 的可再生能源發(fā)電制氣項目，將風電氫在 3 MPa 壓力下注入中壓天然氣管網，摻氫量最大為 285 m ³ /h ^［
7 ^］。 2019 年，英國向斯塔福德郡基爾大學現有的天然氣管網注入體積分數為 20% 的氫氣，為 100 戶家庭和 30 座教學樓供氣。 2020 年，格拉德思建造澳大利亞首座注氣設施，為該市的天然氣管網注入體積分數為 10% 的氫氣。綜合來看，歐洲地區(qū)已開展的多項摻氫示范項目摻氫比例在 2%~20% ，摻氫量最大為 285 m ³ /h ，示范應用范圍僅在局部范圍。我國僅國家電投集團在遼寧省朝陽市建設了一個天然氣摻氫示范項目，摻氫比例為 10% ，獨立為一個商業(yè)用戶供氣。

諸多示范項目的開展為收集實際運行數據、驗證試驗結論提供了良好支撐，也對推廣天然氣管道摻氫利用起到了推動作用。但受限于示范應用的持續(xù)時間、涉及范圍，仍有許多問題有待進一步研究。

②有待進一步研究的問題

a. 天然氣摻氫比例有待進一步明確。我國對管輸摻氫天然氣中的摻氫比例尚無明確要求，僅可參考 GB/T 37124 — 2018 《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》第 4.2 節(jié)規(guī)定的氫氣含量（體積分數）≤ 3% ，以及 GB/T 34537 — 2017 《車用壓縮氫氣天然氣混合燃氣》第 4.1 節(jié)規(guī)定的氫氣含量（體積分數）≤ 25% 等相關標準的要求。多個國家針對天然氣管道中的氫含量做出了明確規(guī)定，見表 1 。諸多理論與試驗研究表明，摻氫比例在 20% 以內時對管材、燃氣灶具的影響很小，但缺少對壓縮機、燃氣輪機、調壓器、閥門、大型鍋爐等設備影響的相關研究，目前的示范應用也主要集中在居民用戶或小型工商業(yè)用戶。

表 1 各國天然氣管道允許摻氫比例

b. 氫氣對材料性能的影響研究不全面，目前主要集中在高壓管線鋼，如 X70 、 X80 鋼材等。城市燃氣系統(tǒng)管材復雜，需要明確氫氣的摻入是否影響系統(tǒng)中的各類橡膠密封材料。

c. 天然氣摻氫后的運行管理與安全防護研究滯后。目前，不論是摻氫天然氣管道，還是純氫管道，國內外基本均參照天然氣管道的運行管理方式，對氫氣特性的考慮不足。

2 摻氫天然氣利用技術

2.1 摻氫天然氣用于民用燃氣領域

摻氫天然氣用于居民用或商業(yè)用燃具時，需保證天然氣摻混氫氣后無需對燃具改造。不同國家和地區(qū)的天然氣組成不同，摻氫天然氣與天然氣互換性判斷需要具體情況具體分析。

①安全性能與排放性能要求

我國普遍使用 12T 天然氣，摻氫天然氣偏離 12T 天然氣的波動范圍應符合 GB/T 13611 — 2018 《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》中第 6 章的要求。

現行國家標準對家用燃具排放煙氣中的 CO 體積分數（φ）進行了強制規(guī)定（見表 2 ），但未對 NO _x 的排放給出強制性指標。

表 2 家用燃具 CO 排放指標

②國內外研究現狀

在安全適應性方面，研究主要圍繞燃具在使用摻氫天然氣過程中的點火特性、火焰穩(wěn)定性等燃燒安全性能展開。 Devries 等 ^［ ⁸ ^］結合理論計算和試驗測量，提出一種回火傾向評估方法，利用層流燃燒速度和當量比進行計算，結果能準確反映摻氫對火焰回火行為的影響，無需進行大規(guī)模的設備測試，就可以得出兼顧安全性和適用性的最大摻氫比例。羅子萱等 ^［ ¹ ^］在 12T 基準氣中摻混了體積分數為 5% ～ 20% 的氫氣形成混合燃氣，測試發(fā)現家用燃具不做任何調整時，華白數降低 1 . 3% ～ 5 . 3% ，點火率、火焰穩(wěn)定性合格。陳豪杰等 ^［ ⁹ ^］采用理論和試驗相結合的方法探究摻氫比例對家用燃氣灶、熱水器、燃氣供暖熱水爐燃燒特性的影響，研究表明這 3 類燃具在 1% ～ 10% 摻氫比例范圍內均未出現脫火、回火、黃焰現象，燃燒安全穩(wěn)定。

在燃燒特性方面，研究主要圍繞摻氫天然氣在燃具內燃燒時一次空氣系數、熱負荷、熱效率等物性參數的變化規(guī)律展開。 Choudhury 等 ^［ ¹⁰ ^］以兩種典型的儲水式熱水器為研究對象，在可靠運行、不損失關鍵性能參數的情況下探討燃燒性能影響，結果表明摻氫比例在 10% 以內，摻氫天然氣的燃燒性能和熱水器的可操作性基本不受影響。胡業(yè)龍等 ^［ ¹¹ ^］對煙道式燃氣熱水器熱工性能展開實驗研究與分析，結果表明在 50% 額定熱負荷狀態(tài)下，當摻氫比例從 0 增加到 20% 時，熱效率由 87.5% 提高到 90.1% ，摻氫有效提高了燃氣熱水器的熱效率。

在排放性能方面，出于室內安全考慮，研究主要圍繞摻氫對煙氣中 CO 和 NO _x 排放的影響展開。馬向陽等 ^［ ¹² ^］針對摻氫天然氣嵌入式灶具的煙氣污染物開展了實驗研究，結果表明 5 種摻氫比例下煙氣中 CO 和 NO _x 含量均有所降低， NO _x 排放量與一次空氣系數成反比，可以通過控制燃料和空氣的比例來控制煙氣中 NO _x 的含量。吳嫦 ^［ ¹³ ^］對比了 1.5 kPa 、 2 kPa 、 3 kPa 壓力下天然氣和摻氫天然氣（摻氫比例為 5% 、 10% 、 15% 、 20% ）的燃燒工況，實驗結果表明，煙氣中 CO 含量隨著摻氫比例增大逐漸減小，不完全燃燒減少； NO _x 排放量也隨著摻氫比例增大而降低，且當一次空氣系數在 0.55 ～ 0.70 范圍內時， NO _x 含量出現極小值。

③存在問題及發(fā)展趨勢

將摻氫天然氣用于居民用戶或商業(yè)用戶時，提高摻氫比例提高了燃具熱效率，但造成燃具熱負荷降低，導致燃氣消耗量上升，燃氣費用增加；同時增加了室內管件發(fā)生泄漏和燃爆的風險。此外，民眾對摻氫天然氣認知程度較低，難以順利接受將其作為家庭燃料 ^［ ¹⁴ ^］。

因此，需要綜合考慮經濟性、安全性和環(huán)保性需求，統(tǒng)籌制定摻氫比例和燃氣費用；進一步完善室內檢測手段和檢測設備，提升管道完整性管理；強化摻氫天然氣相關知識普及和宣傳，提高終端用戶接受度 ^［ ¹⁵ ^］。

2.2 摻氫天然氣用于工業(yè)領域

摻氫天然氣在工業(yè)領域主要用于工業(yè)鍋爐及燃氣輪機，國外相關項目較多，國內鮮見報道。研究表明，在天然氣中摻混適量的氫氣可以提高燃氣輪機效率，減少 CO ₂ 排放。此外，利用工業(yè)副產氫，可以節(jié)省天然氣用氣量，降低燃料成本。

①排放標準

GB 13223 — 2011 《火電廠大氣污染物排放標準》第 4 章規(guī)定了新建火力發(fā)電鍋爐和燃氣輪機組大氣污染物排放濃度限值。

②國外研究現狀

國外摻氫天然氣用于工業(yè)領域的研究主要從安全適應性、燃燒特性、排放性能等方面展開。在安全適應性方面，歐盟 NATURALHY 項目 ^［ ¹⁶ ^］于 2004 — 2009 年通過大范圍實驗研究了工業(yè)摻氫天然氣的泄漏和爆炸行為，結果表明摻氫天然氣的聚積性、泄漏特性與天然氣類似，摻氫會增大天然氣爆炸的嚴重性，但是 20% 以內的摻氫比例影響可忽略不計。

在燃燒特性方面，日本三菱日立動力系統(tǒng)有限公司（ MHPS ） ^［ ¹⁷ ^］于 2018 年參加日本新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構項目，自主研制了干式低 NO _x （ DLN ）燃燒器，并開展了摻氫天然氣大型燃氣輪機測試。該測試在 J 系列燃氣輪機預混式燃燒器中進行，摻氫比例為 30% ，渦輪機入口溫度為 1 600 ℃，能夠產生 700 MW 輸出。結果表明，該燃燒器能實現摻氫天然氣的穩(wěn)定燃燒，發(fā)電效率在 63% 以上， NO _x 排放滿足排放要求， CO ₂ 排放量比天然氣發(fā)電降低了 10% ，電廠其他設備可以不進行改造，減少了電廠改造的成本。

在排放性能方面，不同于居民和商業(yè)用燃氣領域關注摻氫天然氣煙氣中 CO 和 NO _x 的排放，在工業(yè)領域和車用燃料領域，摻氫天然氣與天然氣相比的最大優(yōu)勢是可以降低碳排放，故在其排放性能方面更關注 CO ₂ 和 NO _x 的變化規(guī)律。 Peantong 等 ^［ ¹⁸ ^］于 2017 年對比使用了天然氣模式和混氫模式鍋爐，測量不同摻氫比例下煙氣中的 CO ₂ 、 NO _x 濃度，通過成本計算模型得到總消耗，結果表明，向工業(yè)鍋爐燃料天然氣中摻混氫氣可以降低成本，減少由于鍋爐燃燒釋放到空氣中的 CO ₂ 和 NO _x 。日本 Kozaika 工廠于 2009 年開始使用以摻氫天然氣為燃料的煙管鍋爐，有效利用化學生產副產氫，每年節(jié)省 109 × 10 ⁴ m ³ 天然氣，減少 2 500 t CO ₂ 排放量 ^［ ¹⁹ ^］。 Kumma 等 ^［ ²⁰ ^］于 2019 年對比了發(fā)動機在分別使用摻氫天然氣和柴油運行時的 NO _x 排放量，結果表明，使用摻氫天然氣的 NO _x 排放量降低了 12.78% 。 Park 等 ^［ ²¹ ^］測試了摻氫天然氣發(fā)動機的 NO _x 排放，發(fā)現其平均 NO _x 排放量在 2.6 g/ （ kW · h ）左右。 Khodamrezaee 等 ^［ ²² ^］驗證了摻氫天然氣發(fā)動機的排放數據，摻入體積分數為 15% 的氫氣后， NO _x 的平均排放量較未摻入氫氣前減少了 9.6% 。

③存在問題及發(fā)展趨勢

摻氫天然氣在工業(yè)領域推廣面臨的主要問題是難以確定摻氫比例上限，管網范圍越大、設備越多，對摻氫上限的要求越嚴格。未來應兼顧經濟性、安全性和環(huán)保性，確定不同工業(yè)系統(tǒng)的摻氫比例上限；建立天然氣摻氫工業(yè)標準體系，推動摻氫天然氣成為低排放的天然氣替代能源。

3 結語

我國對天然氣摻氫的研究工作尚在起步階段，天然氣摻氫領域仍有許多問題亟待解決?，F有的研究成果不能完全考慮實際情況，且各國的天然氣組成、天然氣管網材料、工況存在差異，我國發(fā)展天然氣摻氫技術不能盲目借鑒國外的參數，需結合我國的實際情況，對輸送管道的性能進行分析，研究摻氫比例的最佳范圍，并制定一系列關于天然氣摻氫的標準，推動天然氣摻氫技術的產業(yè)化應用。

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（本文責任編輯：林國真）

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