富氢/掺氢燃料气的清洁利用 理论、技术和实践

富氢/掺氢燃料气利用的背景和意义

自从习总书记提出“碳中和”以来，得到了全国人民的重视，对于城燃行业包括天然气在内受到很大挑战，特别是工业和热力这两大用能领域，碳排放的强度是比较高，减碳的难度也较大，这也是为什么氢能还有一些工业副产的燃气充分利用方面，会在这两年受到这么多人的关注。

 

对于工业的副产气而言，过去很多时候是直接地用一个火炬或者把它当成一个污染物来处理的，现在为了整体提高整个工业系统里面的能效，我们希望把这部分的能量能够回收起来，但这些气体有几个特点，第一个是组份比较复杂，同时它的性质差别是非常大的，我们对比了它里面含有的几种主要的可燃成分，无论是从悟性，还是从化学反应的特性来说，都是有一个数量级上的差异，这也对我们设计这种燃烧气、燃烧技术提出了挑战，尤其是近期随着环保要求的提高，低碳要求是越来越严格了，在这里面就会存在很多的问题，如果我们设计不当，就会有回火、振荡熄火等等现象的发生。

 

对于氢能来说，目前在储运方面是需要重点去突破的，在运输氢气中我们主要靠长管拖车运输，运氢的密度在10%左右，而且随着压力的增高，在长管拖车相同类型气瓶的情况下，质量储氢密度是在降低的。液氢运输可以达到接近质量密度100%，但是存在能耗高问题，材料储氢方面目前还处在实验室的阶段，还没有走向市场。关于掺氢天然气的方式，我认为可能在目前已有的条件下，最大限度利用已有的技术资源，降低氢能的大规模长途运输的难度，通过天然气掺氢可能是一种方式。在天然气掺氢方面，国内外已有很多研究积累，国外研究了近20年，我们国家这两年也发展很快，在基础研究工作中也有一定的积累，但是示范应用刚刚起步，缺乏规范和标准的引导。我国的天然气用户的特征跟欧盟、美国有很大的差别，所以很多的研究需要针对我们国家的国情。

 

在整个研究过程中，我们其实主要从事了两项关键技术的研究，第一项就是“超低氮”燃烧组织方法及燃烧器技术，可以说是利用工业副产的富氢燃气做出污染物排放低，并且燃烧很稳定的燃烧技术。第二项是掺氢天然气终端用户设备的燃料适应性评价技术，这种技术可以评价我们掺氢天然气在终端用户设备中的燃料适应性的问题，包括灶具、内燃机、燃气轮机、锅炉以及工业用户，能否在我们不知掺氢比例，或者是掺氢比例已知，但是它在不断变化的情况下，不改变我们现有的基础设施，能够有一个比较好的适应，所以在这一块我们从事了一些工作。

 

气体燃料低氮燃烧理论与关键技术

关于低氮燃烧技术，其实我们在这做了很多的基础研究工作，包括数据、模型、方法的开发，同时我们对于氮氧化物的生成也做了大量的理论研究和基础的实验数据。另一方面是燃料气本身的安全性方面，比如说回火、吹熄、稳定性，我们也做了很多的技术研究。我们从事了低氮燃烧组织方法的开发，包括方法研究、技术开发、中诗实验已经做到了工程验证，经过大量的总结和分析，我们得到的氮氧化物生成的相图，里面包括了不同模式的燃烧状态。传统的燃烧技术存在高温、稳燃以及氮氧化物排放高的一种状态，研究后的技术我们提高了燃烧前的温度，同时也需要降低火焰区的温度，其实是一个新的组织方式，期间我们做了很多的技术开发工作，同时也形成了很多专利，我们总结为叫增强式内烟气循环+分步掺混的技术，在这个基础上我们研发了一些产品，并且进行试验工作，试验结果也比较成功。

 

第三部分，掺氢天然气的燃烧利用关键技术。

在掺氢天然气燃烧利用的技术研究中，我们更关注一些工业用户，供暖和燃气锅炉这块用户的使用情况，我们从点火的安全性、燃烧的组织，包括组织的能效和污染物排放等几个方面对于管网的影响做了一些评估工作。关于天然气掺氢的燃烧性质，在国际上进行了很多研究，但是有一点是需要注意的，其实我们的入口条件是随着我们管道掺氢不断变化的，华白数也相应变化，同时由于氢和天然气当量燃烧下所需的空气也是不同的，会导致保过量空气系数同时发生变化，而这些变化在不知道掺氢比的具体数值的情况下会造成比较大的影响。对于入口条件的影响其实是比较复杂的，我们围绕这块的分析做了一些理论的推导，跟我们后面的工作实际结合起来，所以这是我们不太一样的地方，同时我们在实验室也开展了一些实验室规模的研究工作，针对全预混表面燃烧技术，我们把它做了一个小的模化，在实验室里面做掺氢的研究工作，无论是污染物排放、能效还是安全性上面都做了一些评估。

 

总结一下富氢/掺氢燃料器应用的实践工作

其实是针对天然气的低氮燃烧技术，我们做了几个燃烧器之后，在银川和太原做了一些技术的示范应用，跟进口技术相比，我们改造之后其实还是有一个比较好的状态，比如说我们的氮氧化物排放都可以稳定在30毫克以下，现在这方面技术是比较成熟的，针对刚才我提到的工业副产气这一块，其实这两方面都不是特别新的内容，但是因为它的污染物排放要求是更加严格了，所以在这一块我们做了一个底层技术的改造，效果是比较好的。

 

最后做一点小小的总结，从我个人的观点来看，如果我们想提高整体的工业流程的节能程度，我们充分地利用在工业过程中产生的一些带热值的废气燃料器，并且加以清洁利用，应该是在我们整体的工业领域能够节能降耗的重要手段，同时天然气掺氢是在我们供热、热力行业里面降碳的潜在手段之一。气体燃料、低氮燃烧和燃气终端用户的燃料适应性评价是我们目前比较关注的问题，也是把这些技术通向产业化过程中，需要解决的一些重要问题，从我们目前研究的情况，包括国际上的情况来看，掺氢体积比在20%以下的时候，掺氢天然气取得了一定的示范应用，并且很多人公认，它对燃气灶具应该是影响不太大的，我看到很多国外的报告，提出20%应该是一个比较安全的范围，但是它的经济性还有待进一步地认证，比如说如果我们加了碳交易之后，可能会给它的经济性提供一些支持。掺氢20%以上我们再继续努力，进一步进行它的评估，40%以下我们在做技术性的评价，40%以上我们在做原理性的评价，经过我们研究之后，希望我们今后能给大家一些比较明确的结论，到底这些事情在中国能掺到多少，比例应该是多少，我们标准应该如何定的问题。

 

来源：中国城燃氢盟  原标题《张扬：富氢/掺氢燃料气的清洁利用 理论、技术和实践》