天然气掺氢对燃烧设备的影响分析
2025-04-18 10:19:06
kenengadmin
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天然气管道掺氢将可再生能源制备的“绿氢”与天然气混合,通过管网输送到用户终端。天然气管道掺氢可实现高效、低成本输送大量氢气;与风光发电制氢结合能实现大规模可再生能源消纳;掺氢燃气燃烧后的碳排放强度降低。我国天然气大量依赖进口,天然气掺氢是可减少对外依赖,是能源供应安全的有力补充。
01
燃具适用性分析
与甲烷相比分，氢气具有单位体积发热量低、化学活性强、密度小、最小点火能量低、火焰温度高、扩散系数大等特点。掺混燃气的沃泊指数、热值、燃烧速度指数等均发生改变，具有与天然气不同的燃烧特性，因此要研究现有燃具对掺氢燃气的适应性。通常采用沃泊指数来衡量燃气的互换性，只要沃泊指数不变，就能在同一压力下和同一燃具上获得同一热负荷。根据沃泊指数公式、气体密度、热值及组分占比，计算出沃泊指数和掺混后的热值。图1为沃泊指数偏离百分比、低位发热量随掺氢的变化。随着掺氢比的增大，因氢气热值低，混合气的热值下降，意味着提供相同热量时，需要消耗更多的燃料。
图1沃泊指数及低位发热量随掺氢比的变化
随着掺氢比的增大，沃泊指数上升，掺氢比小于20%,沃泊指数偏离在5.3%以内;掺氢比小于30%,沃泊指数偏离在10%以内。一般认为沃泊指数变化小于10%,对燃具热负荷影响不大。目前进行的掺氢示范项目掺氢比例一般在30%以内。
众多试验表明,在低掺氢比时,大多数家用燃具燃烧稳定,不影响器具原本的性能。
02
对烟风系统的影响
相同体积氢气燃烧需要的氧气量是甲烷的 1/4,因此单位体积掺氢燃气燃烧所需空气量和产生烟气量会变小。本文关注单位供热量下空气量和烟气量的变化,根据掺氢后的气体组分和气体燃烧方程，可得出燃烧需要的空气量及生成烟气量,分别计算“燃烧所需空气量/燃气热值”“生成烟气量/燃气热值”得出单位热值下二者的变化。以零掺烧为基准计算燃烧所需空气量、烟气量的偏差随掺氢比例的变化，见图2。随着掺氢比的增加，燃烧所需空气量和生成烟气量下降,掺氢30%时所需空气量下降 1.9%,生成烟气量下降1%,变化并不明显。单位体积掺氢燃气所需氧气量和生成烟气量变少，同时热值也降低,综合二者因素,低掺氢比下所需空气量和生成烟气量变化不大,因此 50% 以下燃气掺氢比例对家用燃具的吸气、排烟及锅炉烟风系统输送能力基本无影响。
图2 燃烧所需空气量、烟气量偏差随掺氢比的变化
03
对锅炉烟气露点温度及余热利用的影响
天然气掺氢后,燃料中的氢元素比例上升,烟气水蒸气体积分数提高,分压变大,露点温度会上升。根据气体组分和气体燃烧方式,可以得到不同掺氢比下,烟气中各组分的生成量,进而得出H2O生成量及H2O 分压力(与露点温度对应)。用“单位体积燃气 H2O产率/燃气热值”计算单位热量下H2O的生成量。露点温度与单位热量下H2O的产率的变化趋势见图3。掺氢比30%,露点温度上升1.8℃;掺氢比 50%,露点温度上升3.5℃相对于掺氢程度,露点温度的升高并不显著对装有节能器的锅炉来说,露点温度上升会带来低温腐蚀风险。未来应用掺氢燃气时，要核查换热端差,预防低温腐蚀,必要时更换换热器材质。
图3 烟气露点温度、H2O随掺氢比例的变化
从图3中可看出H2O产率随掺氢比的增加而上升,意味着烟气中可回收的潜热上升近年来随着节能降碳要求的提高，大型燃气锅炉房逐渐采用深度余热利用技术来吸收烟气中水蒸气的潜热,即用热泵产生 20-30 ℃的低温中介水,中介水的温度低于烟气露点温度,与烟气换热吸收水蒸汽潜热,作为热泵的低温热源,大幅提高锅炉效率,但由于采用了热泵技术,投资一般相对较高。对此类余热利用技术,掺氢燃气的烟气有两点增益:一是烟气露点温度上升,相应的中介水的温度可以提高，即提高了热泵低温侧余热水温,利于降低热泵造价和提高运行效率。是燃烧发热量相同时，烟气中可提供的潜热变大,更有利于采用此类技术提升锅炉效率可计得掺氢比 30%与零掺氢相比,完全的潜热回收对提升锅炉效率的贡献由11%增加到12%,掺氢的贡献为 1%。1mol的CH4生成2mol的H2O,1 mol的H2生成1mol的H2O。掺氢后单位体积燃气H2O产量下降,相应单位体积燃气可回收潜热变少,同时燃气热值也下降,外供相同热量时,需要燃烧更多燃气,综合二者因素,表现结果为可回收潜热对锅炉效率的贡献略有上升。
04
结论
（1）天然气掺氢比例在 30%内,对家用燃具性能及热负荷影响不大。
（2）掺氢比例在50%内,相同热负荷下的燃烧所需空气量及生成烟气量略有下降,对烟风系统影响较小。
（3）燃气掺氢导致烟气露点温度上升,增加低温腐蚀的风险;在相同热负荷下,烟气可回收的潜热量略有上升,利于深度余热技术的应用。
来源：低碳与供热