富氫天然氣家用燃?xì)饩哐邪l(fā)

江先明 黃遜青

(廣東萬和新電氣股份有限公司，廣東佛山 528305)

在全球能源轉(zhuǎn)型背景下，氫氣作為可再生能源載體之一，以新的角色重新受到關(guān)注。氫能利用也被認(rèn)為是加快可再生能源發(fā)展、實(shí)現(xiàn)能源低碳化的主要技術(shù)路徑之一。在2019年11月，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局印發(fā)《能源統(tǒng)計(jì)報(bào)表制度》，將氫氣和煤炭、天然氣、原油、電力、生物燃料等一起納入2020年能源統(tǒng)計(jì)；在2020年5月28日，第十三屆全國(guó)人大第三次會(huì)議批準(zhǔn)了2020年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃，其中，在著力培育壯大新動(dòng)能方面，將制定國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃作為2020年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃的主要任務(wù)之一。據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年，我國(guó)氫能將在終端能源體系中占5%，到2050年占比至少可達(dá)到10%。目前全球氫能產(chǎn)業(yè)處于快速發(fā)展階段，已有超過30個(gè)國(guó)家制定了氫能發(fā)展路線圖；我國(guó)已有超過20個(gè)省、46個(gè)城市制訂氫能產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃，有100多項(xiàng)相關(guān)地方政策出臺(tái)。

氫氣作為能源具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，既可用作化石能源（煤、天然氣）、可再生能源（氫電互變）高度耦合的二次能源載體，亦可廣泛應(yīng)用于交通、工業(yè)和建筑等領(lǐng)域。在工業(yè)和建筑領(lǐng)域，其中一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景是作為城鎮(zhèn)燃?xì)馐褂茫蔀榧彝ス┡?、衛(wèi)浴和烹飪所需燃料。而在實(shí)現(xiàn)純氫應(yīng)用之前，通過在天然氣中摻入氫氣獲得富氫天然氣（hydrogen-enriched natural gas, HENG）作為過渡方案，具有改造難度低、末端調(diào)節(jié)靈活的特點(diǎn)，不但可有效減少碳排放，減少城市基建投資（如市政設(shè)施），緩解天然氣供應(yīng)壓力，也可以為純氫應(yīng)用提供參考經(jīng)驗(yàn)。

雖然HENG定義為在天然氣中摻入氫氣的廣義混合燃?xì)?，摻氫比例未作明確限制，不過，全球范圍內(nèi)多個(gè)示范項(xiàng)目的主要研究方向?yàn)?0%～20%的摻氫比例上限，只有個(gè)別達(dá)到30%的摻氫比例上限。目前多項(xiàng)研究普遍認(rèn)為，對(duì)于現(xiàn)有的天然氣輸配管網(wǎng)，以20%的氫氣比例作為上限，在安全性、可靠性等方面不會(huì)形成新的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。而對(duì)于終端低壓輸配管網(wǎng)，根據(jù)歐盟THyGA研究報(bào)告《氫氣混合物的非燃燒相關(guān)影響——材料相容性》[1]的結(jié)論，氫氣體積濃度為50%的HENG，在燃?xì)鈮毫Σ怀^5 kPa的條件下，可以直接使用現(xiàn)有城鎮(zhèn)天然氣輸配管道，管道無需任何改造。

國(guó)內(nèi)外前期開展了多項(xiàng)關(guān)于12T天然氣與HENG的互換性研究，以及燃?xì)饩邔?duì)HENG的適應(yīng)性的試驗(yàn)研究，同時(shí)，歐盟還完成材料相容性方面的階段性研究并發(fā)布了相關(guān)成果[1]。但是，這些研究主要停留在技術(shù)可行性論證和示范驗(yàn)證階段，國(guó)外尚無適用的正式發(fā)布的國(guó)際、區(qū)域（例如歐盟標(biāo)準(zhǔn)）、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)也無國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

近年來，萬和公司在富氫天然氣家用燃?xì)饩叩难芯亢烷_發(fā)領(lǐng)域持續(xù)投入，形成了富氫天然氣家用燃?xì)饩呦盗衅髽I(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并在2021年3月舉行的中國(guó)家電及消費(fèi)電子博覽會(huì)（2021AWE）上發(fā)布了系列產(chǎn)品，并提出了富氫就緒（HENG ready）、長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)等技術(shù)方案，其中“富氫就緒”是富氫燃?xì)饩叩囊环N燃?xì)膺m配性設(shè)計(jì)方案，該方案使得燃?xì)饩咴跓o需專業(yè)服務(wù)人員參與的情況下，能夠同時(shí)適應(yīng)12T和HENG，在預(yù)期的燃?xì)鈪?shù)變化范圍內(nèi)，滿足燃燒穩(wěn)定性的全部要求?；谌f和公司系列企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)城市燃?xì)鈿淠馨l(fā)展創(chuàng)新聯(lián)盟在2021年10月發(fā)布了富氫天然氣燃?xì)馄骶呗?lián)盟標(biāo)準(zhǔn)。本文分析、回顧和總結(jié)了萬和公司在富氫燃?xì)饩哐邪l(fā)過程中的主要發(fā)現(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)，以推進(jìn)富氫燃?xì)饩哐邪l(fā)水平，更好滿足“氫進(jìn)萬家”戰(zhàn)略實(shí)施要求。

1 富氫燃?xì)饩哐邪l(fā)基礎(chǔ)

1.1 HENG分類與特性

雖然人工煤氣普遍含有氫氣成份，例如，焦?fàn)t煤氣中氫氣比例約為60%，但是富氫燃?xì)饩吲c人工煤氣燃?xì)饩叽嬖谝韵旅黠@的差異。

（1）燃?xì)鈮毫?、燃?xì)鉄嶂挡煌喝斯っ簹忸~定壓力為1 kPa，HENG則按天然氣標(biāo)準(zhǔn)要求為2 kPa；氫氣比例為20%的HENG的熱值約為焦?fàn)t煤氣的2倍，與12T的熱值差異僅約15%。

（2）燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)不同：由于人工煤氣與天然氣的額定壓力、燃?xì)鉄嶂怠⒖杖急鹊染嬖谳^大的差異，導(dǎo)致兩者在與燃?xì)鈮毫?、燃?xì)饬髁俊⒖杖急认嚓P(guān)的零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)，如流道尺寸、引射參數(shù)等差異使得選型有明顯不同，設(shè)計(jì)時(shí)無法用同一個(gè)燃燒器適應(yīng)兩種燃?xì)?，換言之，若滿足對(duì)人工煤氣的適應(yīng)性，就不能滿足對(duì)HENG的適應(yīng)性，反之亦然，故燃燒系統(tǒng)差異較大；又如，由于人工煤氣的壓力低，HENG無法在人工煤氣的壓力范圍通過回火界限氣檢測(cè)；而HENG與天然氣的差異較小，兩者的燃燒系統(tǒng)差異較小，尤其是按“富氫就緒”要求設(shè)計(jì)的燃?xì)饩?，燃燒系統(tǒng)可以同時(shí)適用12T和HENG。

（3）界限氣標(biāo)準(zhǔn)不同：人工煤氣的界限氣在GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴分杏忻鞔_的規(guī)定，而HENG的界限氣目前尚無國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)給予規(guī)定，即使在國(guó)外也缺乏正式的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

由于富氫燃?xì)饩吲c天然氣燃?xì)饩卟町愝^小，對(duì)于富氫燃?xì)饩哐芯亢烷_發(fā)的首要課題就是兼容性設(shè)計(jì)：在天然氣燃?xì)饩叩幕A(chǔ)上，通過合理的參數(shù)調(diào)整，使之適應(yīng)HENG。而利用界限氣進(jìn)行燃燒狀態(tài)試驗(yàn)，就是驗(yàn)證這些設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整合理性的重要依據(jù)。

萬和公司參考現(xiàn)有資料提出了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/WHX T02121—2021《富氫天然氣燃?xì)夥诸惡突咎匦浴?，其中?duì)HENG的分類和特性進(jìn)行了規(guī)定。表1和表2分別選取7R與12T作為人工煤氣和天然氣的代表，對(duì)比了氫氣比例分別為10%和20%的HENG“10S”和“20S”與這兩種燃?xì)獾奶匦圆町?，其中VCH4，VH2，VN2，VC3H8分別對(duì)應(yīng)試驗(yàn)氣中甲烷、氫氣、氮?dú)夂捅榈捏w積分?jǐn)?shù)。

表1 試驗(yàn)氣組成對(duì)比Table 1 Composition of test gases

表2 基準(zhǔn)氣特性對(duì)比Table 2 Characteristics of the reference gases

1.2 富氫燃?xì)饩哐邪l(fā)過程的關(guān)鍵技術(shù)問題

1.2.1 燃燒穩(wěn)定性

在富氫燃?xì)饩叩难芯亢烷_發(fā)工作中，確定界限氣要求的主要目的是解決燃燒穩(wěn)定性的考核問題。

對(duì)于10S，在確定回火界限氣過程中，按華白數(shù)變化幅度計(jì)算得出的界限氣組份為VCH4=80% ，VH2=20% ，考慮到12T的回火界限氣要求，組份為VCH4=77% ，VH2=23% ，較上述計(jì)算結(jié)果更為嚴(yán)酷，故直接引用了12T要求。由此可知，現(xiàn)有12T燃?xì)饩呖梢詽M足氫氣比例不超過10%的HENG的燃燒穩(wěn)定性要求。

對(duì)于20S，按照Q/WHX T02121—2021的規(guī)定，其黃焰界限氣和脫火界限氣對(duì)應(yīng)的燃燒穩(wěn)定性要求較12T要求更為寬松，只有回火界限氣更嚴(yán)格。因此，對(duì)于采用“富氫就緒”的燃?xì)庠罹?，由于萬和公司采用了無需服務(wù)人員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整器具狀態(tài)的方案，相應(yīng)地，燃?xì)饩吖ぷ鲄^(qū)域無縫覆蓋12T和HENG工作區(qū)域，因此，界限氣可以簡(jiǎn)化為，12T的黃焰界限氣和脫火界限氣，以及氫氣比例上限的HENG對(duì)應(yīng)的回火界限氣。例如，聲稱可同時(shí)滿足12T以及氫氣比例不超過20%的HENG的燃?xì)庠罹撸ê?jiǎn)稱為20H燃?xì)庠罹撸?，全部的試?yàn)氣為如下。

（1）基準(zhǔn)氣：12T基準(zhǔn)氣、20S基準(zhǔn)氣；

（2）界限氣：12T黃焰界限氣、12T脫火界限氣、20S回火界限氣。

由此可將界限氣種類由6種簡(jiǎn)化為3種，在風(fēng)險(xiǎn)控制能力不變的前提下，顯著降低燃?xì)庠罹唛_發(fā)的成本，同時(shí)提高開發(fā)效率[2]。

1.2.2 材料相容性

首先，理論上金屬材料接觸氫氣可能形成氫脆風(fēng)險(xiǎn)，主要原因是，氫氣會(huì)降低金屬部件和管道的機(jī)械性能，因此會(huì)發(fā)生氫脆現(xiàn)象，例如氫與管線的結(jié)構(gòu)鋼鐵材料中的碳反應(yīng)生成甲烷并在鋼鐵材料內(nèi)部形成局部高應(yīng)力，造成鋼鐵材料脫碳和產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致鋼鐵材料的力學(xué)性能發(fā)生不可逆的劣化。其次，氫氣與非金屬材料如聚乙烯的相容性問題以及氫在金屬和聚合物材料中的泄漏傾向，均會(huì)對(duì)富氫燃?xì)饩叩倪\(yùn)行帶來較大安全隱患。此外，氫脆現(xiàn)象也在某些條件下會(huì)對(duì)銅、鋁等材料產(chǎn)生危害，例如，當(dāng)結(jié)構(gòu)部件處于高應(yīng)力狀態(tài)時(shí)。

對(duì)于上述問題，萬和公司借鑒國(guó)內(nèi)外行業(yè)經(jīng)驗(yàn)提出了若干措施，包括直接采用12T燃?xì)饩叩牟牧舷嗳菪砸?，改進(jìn)泄漏控制措施和提出低應(yīng)力設(shè)計(jì)控制措施等。參考?xì)W盟THyGA研究報(bào)告的成果，當(dāng)燃?xì)鈮毫Σ怀^5 kPa時(shí)，現(xiàn)有燃?xì)饩叱Ｓ媒饘俨牧显诘蛻?yīng)力條件下能夠與氫氣比例不超過50%的HENG相容，常用的非金屬材料相容性類似[1]。對(duì)于該約束條件，由于燃?xì)饩哒＿\(yùn)行條件下輸入端燃?xì)鈮毫σ话悴怀^3 kPa；另外，歐洲計(jì)劃近期實(shí)施的HENG示范項(xiàng)目的氫氣比例均為20%以下，而日本林內(nèi)公司原先推出的某系列12T燃?xì)饩?，事后確認(rèn)不僅可以適應(yīng)純甲烷，而且可以適應(yīng)氫氣比例最高至30%的HENG[3]。結(jié)合GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎卣鳌芬蟮睦斫?，行業(yè)在過去20多年積累的材料要求對(duì)于富氫燃?xì)饩呤怯谐浞衷６鹊?。而且，非金屬材料化學(xué)相容性研究表明，聚合物材料，特別是聚乙烯，在雙原子氫氣中長(zhǎng)期暴露也不會(huì)發(fā)生劣化[1]。

因此，在萬和公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，富氫燃?xì)饩叩慕Y(jié)構(gòu)材料只需符合GB/T 38442—2020《家用燃?xì)馊紵骶呓Y(jié)構(gòu)通則》以及相應(yīng)產(chǎn)品的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)要求即可，具體要求包括如下。

（1）使用HENG的燃?xì)饩?，其與燃?xì)饨佑|的結(jié)構(gòu)材料的相容性要求，與12T燃?xì)饩呦嗤?/p>

（2）燃?xì)饩叩牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)應(yīng)符合GB/T 38442以及相應(yīng)產(chǎn)品的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)要求，其中戶外產(chǎn)品還應(yīng)符合GB/T 38522—2020《戶外燃?xì)馊紵骶摺返?章要求。

（3）燃?xì)饩吒鞑考慕Y(jié)構(gòu)均應(yīng)有良好的密封，其密封性能應(yīng)符合Q/WHX T02122.1—2021《富氫天然氣家用燃?xì)饩咄ㄓ靡蟆返囊蟆?/p>

1.2.3 泄漏控制

氫氣泄漏速率約為甲烷的2.5倍，參考?xì)W盟THyGA研究報(bào)告的成果，在低供氣壓力條件下，金屬材料和聚合物材料中氫氣的泄漏損失基本可忽略不計(jì)。萬和公司在研究過程中，從保障產(chǎn)品安全和用戶安全，以及提高產(chǎn)品質(zhì)量要求的角度，在燃?xì)饩呦嚓P(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的安全要求基礎(chǔ)上，對(duì)富氫燃?xì)饩呷細(xì)庀到y(tǒng)的氣密性要求進(jìn)行大幅度加嚴(yán)。

在萬和公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/WHX T02122.1—2021中，將允許的泄漏限值降低至國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中天然氣泄漏限值的1/8。具體規(guī)定如下。（1）在以下試驗(yàn)壓力條件時(shí)，通往燃?xì)庵魍返牡谝坏篱y門的漏氣量應(yīng)不大于0.03 L/h；（2）燃?xì)鉄崴?、燃?xì)獠膳癄t：試驗(yàn)壓力不低于15 kPa；（3）燃?xì)庠?、燃?xì)鈶敉饪緺t及燃?xì)饪鞠洌涸囼?yàn)壓力不低于21 kPa條件。

同時(shí)，考慮到自緊密封結(jié)構(gòu)的影響，增加試驗(yàn)壓力為0.5～0.6 kPa的微壓測(cè)漏試驗(yàn)要求[4]。

1.2.4 低應(yīng)力控制

低應(yīng)力控制手段用于控制燃?xì)饩咧谐袎翰考慕饘俳Y(jié)構(gòu)材料可能形成的氫脆風(fēng)險(xiǎn)。

歐盟THyGA研究報(bào)告提醒，降低終端的低壓力燃?xì)夤芫W(wǎng)中金屬材料發(fā)生氫脆風(fēng)險(xiǎn)的前提是，這些結(jié)構(gòu)部件處于低應(yīng)力水平[1]。通常情況下，燃?xì)饩呓饘俪袎翰考慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)基本要求是，在正常運(yùn)行條件下這些部件的應(yīng)力低于爆破強(qiáng)度的1/3，并以低于1/6作為低應(yīng)力的標(biāo)志，運(yùn)用低應(yīng)力設(shè)計(jì)措施的典型意義是減少脆性材料的強(qiáng)度失效風(fēng)險(xiǎn)。因此，低應(yīng)力設(shè)計(jì)也作為HENG燃?xì)饩咧薪饘俳Y(jié)構(gòu)部件應(yīng)對(duì)氫脆風(fēng)險(xiǎn)的措施，在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/WHX T02122.1—2021中規(guī)定，對(duì)燃?xì)饩呙芊饧?、器件?jí)氣密性應(yīng)按不低于21 kPa的試驗(yàn)壓力進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。即結(jié)構(gòu)部件在最高工作壓力7倍的承壓條件下仍然保持正常的氣密狀態(tài)，換言之，相關(guān)密封件、零部件在燃?xì)饩邔?shí)際運(yùn)行過程中，其最高應(yīng)力水平明顯低于其爆破強(qiáng)度的1/7，確保金屬結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力水平滿足低應(yīng)力控制要求。

1.2.5 富氫就緒

考慮到HENG燃?xì)饩咄茝V應(yīng)用的便利性和經(jīng)濟(jì)性，例如，在城鎮(zhèn)燃?xì)馇袚Q時(shí)，是否需要重新購(gòu)置燃?xì)饩?，另外，受原料氣質(zhì)量和成本等方面的影響，其成分可能出現(xiàn)一定范圍的波動(dòng)，富氫燃?xì)饩邞?yīng)當(dāng)可以保持安全和性能穩(wěn)定。萬和公司提出了“富氫就緒”的概念，滿足“富氫就緒”要求的燃?xì)饩撸?2T向HENG的切換過程中，在氫氣比例不超過20%的氣源變化條件下，燃?xì)饩邿o需改裝和調(diào)整即可適應(yīng)。在不具備HENG供應(yīng)條件的情況下，先使用12T，供應(yīng)條件具備后可直接使用氫氣比例不超過20%的HENG。目前，萬和公司設(shè)計(jì)和開發(fā)的所有型號(hào)富氫燃?xì)饩呔稀案粴渚途w”的要求。

同時(shí)，滿足“富氫就緒”要求的燃?xì)饩?，一方面使燃?xì)饩邔?duì)氣源具有較寬范圍的適應(yīng)能力，并在燃?xì)夤芫W(wǎng)的燃?xì)馇袚Q過程具有明顯的優(yōu)勢(shì)；另一方面也可以簡(jiǎn)化燃?xì)饩呱a(chǎn)過程的工藝方法和設(shè)施，使得利用現(xiàn)有天然氣燃?xì)饩叩纳a(chǎn)過程檢測(cè)方法和設(shè)備，即可有效實(shí)現(xiàn)富氫燃?xì)饩呱a(chǎn)過程的質(zhì)量安全控制。雖然與僅適應(yīng)特定單一氣種的HENG相比，這類燃?xì)饩咴诩夹g(shù)和經(jīng)濟(jì)措施方面需要一些額外的代價(jià)，但是可獲得的回報(bào)是妥善解決上述兩個(gè)問題，降低未來HENG的商業(yè)化應(yīng)用的成本。

在家用燃?xì)饩哳I(lǐng)域，燃?xì)饩邔?duì)燃?xì)獾倪m應(yīng)能力主要體現(xiàn)在對(duì)燃燒特性的適應(yīng)能力方面，具體反映在滿足燃燒穩(wěn)定性、安全性要求。燃?xì)饩叩姆闲?，通過規(guī)定的試驗(yàn)進(jìn)行，試驗(yàn)方法和判定準(zhǔn)則均按現(xiàn)行產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。由于每一種具體燃?xì)獾奶匦詫?shí)際上是由基準(zhǔn)氣和界限氣以及不同的供氣壓力組合而成的，通常在產(chǎn)品上標(biāo)識(shí)的氣種，準(zhǔn)確來說只是基準(zhǔn)氣，而每一種基準(zhǔn)氣需要配套離焰、黃焰、回火界限氣，這些界限氣與相應(yīng)的壓力組成的包絡(luò)線構(gòu)成燃?xì)饩叩陌踩?、穩(wěn)定工作區(qū)域，現(xiàn)行產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此已經(jīng)有詳細(xì)和具體的規(guī)定。

富氫就緒就是使燃?xì)饩吖ぷ鲄^(qū)域能夠覆蓋12T和HENG，實(shí)現(xiàn)方式包括無需服務(wù)人員現(xiàn)場(chǎng)切換和由服務(wù)人員現(xiàn)場(chǎng)切換兩種。前一種實(shí)現(xiàn)方式，要求燃?xì)饩吖ぷ鲄^(qū)域無縫覆蓋12T和HENG的工作區(qū)域；而后一種實(shí)現(xiàn)方式，12T和HENG的工作區(qū)域之間存在非工作區(qū)域。本課題的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)之一，是確定HENG的界限氣，燃?xì)饩呤欠窬邆涓粴渚途w特性，通過用這些界限氣按規(guī)定的試驗(yàn)方法和判定準(zhǔn)則確定。至于材料相容性問題，雖然也存在兩種燃?xì)獾倪m應(yīng)問題，是廣義的富氫就緒問題，但是，與燃?xì)膺m配性問題相關(guān)性較弱，所以，沒有將此問題納入富氫就緒的技術(shù)要求內(nèi)容。

綜上所述，燃?xì)饩弋a(chǎn)品具備富氫就緒特性的設(shè)計(jì)要求，就是燃?xì)饩邔?duì)12T和HENG均具備良好的適應(yīng)性，判定的依據(jù)是以12T和HENG的界限氣與相應(yīng)的供氣壓力組合成試驗(yàn)條件，按現(xiàn)行的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法和判定準(zhǔn)則，檢查其符合性。

1.2.6 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系

由于尚無適用的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，萬和公司于2021年2月發(fā)布了富氫天然氣系列企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括富氫天然氣燃?xì)夥诸惡突咎匦?，以及富氫天然氣家用燃?xì)饩叩耐ㄓ脴?biāo)準(zhǔn)和特殊標(biāo)準(zhǔn)。并在此基礎(chǔ)上，協(xié)助中國(guó)城市燃?xì)鈿淠馨l(fā)展創(chuàng)新聯(lián)盟發(fā)布了一系列聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 中國(guó)城市燃?xì)鈿淠馨l(fā)展創(chuàng)新聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Alliance standards by China hydrogen development and innovation alliance for urban gas

2 產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)分析

分別對(duì)富氫天然氣家用燃?xì)饪焖贌崴鳌⑷細(xì)獠膳療崴疇t及燃?xì)庠罹哌M(jìn)行測(cè)試，包括

（1）熱負(fù)荷、熱效率；

（2）過?？諝庀禂?shù)α = 1時(shí)，干煙氣樣中一氧化碳含量，記為COα=1；

（3）過?？諝庀禂?shù)α = 1時(shí)，干煙氣樣中氮氧化物量，記為NOX（α=1）。

內(nèi)部及外部實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果匯總見表4～表6。

表4 富氫熱水器各主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比Table 4 Comparison of main performances of HENG water heaters

表5 富氫采暖爐各主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比Table 5 Comparison of main performances of HENG boilers

表6 富氫燃?xì)庠罡髦饕夹g(shù)指標(biāo)對(duì)比Table 6 Comparison of main performances of HENG cookers

在熱負(fù)荷方面，隨著氫氣比例的增加，HENG的華白數(shù)、發(fā)熱量和相對(duì)密度逐漸降低，而在氫氣比例不超過20%時(shí)，HENG高位發(fā)熱量符合31.97～43.57 MJ/m3的波動(dòng)范圍，華白數(shù)偏差在–1%～–6%之間，因此HENG會(huì)造成燃?xì)饩邿嶝?fù)荷降低，但下降幅度并不大，這是目前歐盟THyGA項(xiàng)目以及國(guó)內(nèi)相關(guān)研究一致的觀點(diǎn)。

在熱效率方面，部分研究結(jié)果認(rèn)為HENG的應(yīng)用會(huì)使燃?xì)饩叩臒嵝侍岣?。但?shí)際試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，HENG對(duì)熱效率的影響并無明確規(guī)律，主要與產(chǎn)品的初始設(shè)計(jì)有關(guān)。例如燃?xì)庠罹?，如果按?2T氣源設(shè)計(jì)的鍋底熱強(qiáng)度恰好為5.47 W/cm2，則在使用HENG時(shí)會(huì)改變其原有的燃燒狀態(tài)，導(dǎo)致熱效率的下降；而對(duì)于熱水器和采暖爐，兩者均配有自控系統(tǒng)，而且有封閉的燃燒室和換熱結(jié)構(gòu)，經(jīng)過熱平衡分析，過量空氣系數(shù)與換熱效果（體現(xiàn)為煙氣溫度）的變化是產(chǎn)生熱效率差異的主要原因。

在燃燒產(chǎn)物方面，目前普遍認(rèn)為HENG可降低COα=1含量。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示：COα=1含量普遍下降。不過，NOX（α=1）含量的變化未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。

在燃燒工況方面，利用界限氣按相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，燃?xì)饩呔闯霈F(xiàn)回火、離焰和黃焰的現(xiàn)象。其中，適用氫氣含量為20%的HENG燃?xì)饩叩幕鼗鹪囼?yàn)條件為，試驗(yàn)氣組分為VCH4=65% ，VH2=35% ，試驗(yàn)壓力為1 kPa。

另外，經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，滿足“富氫就緒”要求的燃?xì)饩叱藷嶝?fù)荷發(fā)生小幅度的變化之外，安全性能、使用性能均保持不變。因此滿足“富氫就緒”要求的燃?xì)饩呖稍谟?jì)劃輸送HENG的地區(qū)提前安裝，燃?xì)饩邿o需因?yàn)槲磥須庠辞袚Q而進(jìn)行更新。

3 結(jié)束語

氫氣作為家用燃?xì)饩叩娜剂系膽?yīng)用是氫能一種具有代表性的利用方式，相對(duì)于其他利用方式，具有技術(shù)成熟度較高和終端設(shè)備投資少等優(yōu)勢(shì)。純氫氣直接在住宅場(chǎng)所應(yīng)用，無論輸配送管網(wǎng)等設(shè)施還是燃?xì)饩?，現(xiàn)有的條件均無法適應(yīng)，因此，富氫天然氣家用燃?xì)饩邞?yīng)用是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)氫能利用的可行方案。從國(guó)內(nèi)外前期的多年研究、驗(yàn)證情況來看，在12T天然氣中摻入比例不超過20%的氫氣，不論管網(wǎng)設(shè)施還是燃?xì)饩叩倪m應(yīng)性調(diào)整工作相對(duì)簡(jiǎn)單易行[5]。萬和公司在富氫天然氣家用燃?xì)饩哐邪l(fā)工作的實(shí)踐已經(jīng)表明，在現(xiàn)有12T天然氣家用燃?xì)饩叩幕A(chǔ)上，僅需要采取小幅度的技術(shù)變更，無需大幅度增加制造成本，就可以滿足適應(yīng)摻氫比例為0～20%的HENG要求。不僅在使用12T的條件下滿足現(xiàn)行國(guó)標(biāo)要求，而且滿足在使用HENG條件下，按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的界限氣條件，通過依據(jù)現(xiàn)行國(guó)標(biāo)規(guī)定的試驗(yàn)方法和判定準(zhǔn)則進(jìn)行檢測(cè)的燃燒穩(wěn)定性、安全性等要求。

萬和公司的富氫天然氣家用燃?xì)饩叩难芯亢烷_發(fā)工作，主要解決了確定界限氣特性，并對(duì)材料相容性、泄漏控制、低應(yīng)力控制、富氫就緒等問題，明確了滿足對(duì)摻氫比例為0～20%的HENG的適應(yīng)性要求的技術(shù)措施和實(shí)施方案。研究表明，現(xiàn)有12T天然氣家用燃?xì)饩呖梢赃m應(yīng)氫氣比例不超過10%的HENG，同時(shí)，萬和公司的富氫天然氣家用燃?xì)饩哐邪l(fā)成果，為HENG的規(guī)?；瘧?yīng)用提供了具有合理技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的“富氫就緒”方案。

對(duì)富氫天然氣家用燃?xì)饩叩臋z測(cè)結(jié)果分析，熱負(fù)荷、一氧化碳和二氧化碳隨HENG中氫氣比例的增加而降低，但是氮氧化物的變化趨勢(shì)則是不確定的，因此，氮氧化物的控制措施是未來研究的重點(diǎn)，此外，富氫天然氣家用燃?xì)饩叩氖袌?chǎng)準(zhǔn)入管理課題也是未來的研究重點(diǎn)內(nèi)容。