天然氣摻氫對燃燒設備的影響分析
2025-04-18 10:19:06
kenengadmin
22
天然氣管道摻氫將可再生能源制備的“綠氫”與天然氣混合,通過管網輸送到用戶終端。天然氣管道摻氫可實現高效、低成本輸送大量氫氣;與風光發電制氫結合能實現大規模可再生能源消納;摻氫燃氣燃燒后的碳排放強度降低。我國天然氣大量依賴進口,天然氣摻氫是可減少對外依賴,是能源供應安全的有力補充。
01
燃具適用性分析
與甲烷相比分，氫氣具有單位體積發熱量低、化學活性強、密度小、最小點火能量低、火焰溫度高、擴散系數大等特點。摻混燃氣的沃泊指數、熱值、燃燒速度指數等均發生改變，具有與天然氣不同的燃燒特性，因此要研究現有燃具對摻氫燃氣的適應性。通常采用沃泊指數來衡量燃氣的互換性，只要沃泊指數不變，就能在同一壓力下和同一燃具上獲得同一熱負荷。根據沃泊指數公式、氣體密度、熱值及組分占比，計算出沃泊指數和摻混后的熱值。圖1為沃泊指數偏離百分比、低位發熱量隨摻氫的變化。隨著摻氫比的增大，因氫氣熱值低，混合氣的熱值下降，意味著提供相同熱量時，需要消耗更多的燃料。
圖1沃泊指數及低位發熱量隨摻氫比的變化
隨著摻氫比的增大，沃泊指數上升，摻氫比小于20%,沃泊指數偏離在5.3%以內;摻氫比小于30%,沃泊指數偏離在10%以內。一般認為沃泊指數變化小于10%,對燃具熱負荷影響不大。目前進行的摻氫示范項目摻氫比例一般在30%以內。
眾多試驗表明,在低摻氫比時,大多數家用燃具燃燒穩定,不影響器具原本的性能。
02
對煙風系統的影響
相同體積氫氣燃燒需要的氧氣量是甲烷的 1/4,因此單位體積摻氫燃氣燃燒所需空氣量和產生煙氣量會變小。本文關注單位供熱量下空氣量和煙氣量的變化,根據摻氫后的氣體組分和氣體燃燒方程，可得出燃燒需要的空氣量及生成煙氣量,分別計算“燃燒所需空氣量/燃氣熱值”“生成煙氣量/燃氣熱值”得出單位熱值下二者的變化。以零摻燒為基準計算燃燒所需空氣量、煙氣量的偏差隨摻氫比例的變化，見圖2。隨著摻氫比的增加，燃燒所需空氣量和生成煙氣量下降,摻氫30%時所需空氣量下降 1.9%,生成煙氣量下降1%,變化并不明顯。單位體積摻氫燃氣所需氧氣量和生成煙氣量變少，同時熱值也降低,綜合二者因素,低摻氫比下所需空氣量和生成煙氣量變化不大,因此 50% 以下燃氣摻氫比例對家用燃具的吸氣、排煙及鍋爐煙風系統輸送能力基本無影響。
圖2 燃燒所需空氣量、煙氣量偏差隨摻氫比的變化
03
對鍋爐煙氣露點溫度及余熱利用的影響
天然氣摻氫后,燃料中的氫元素比例上升,煙氣水蒸氣體積分數提高,分壓變大,露點溫度會上升。根據氣體組分和氣體燃燒方式,可以得到不同摻氫比下,煙氣中各組分的生成量,進而得出H2O生成量及H2O 分壓力(與露點溫度對應)。用“單位體積燃氣 H2O產率/燃氣熱值”計算單位熱量下H2O的生成量。露點溫度與單位熱量下H2O的產率的變化趨勢見圖3。摻氫比30%,露點溫度上升1.8℃;摻氫比 50%,露點溫度上升3.5℃相對于摻氫程度,露點溫度的升高并不顯著對裝有節能器的鍋爐來說,露點溫度上升會帶來低溫腐蝕風險。未來應用摻氫燃氣時，要核查換熱端差,預防低溫腐蝕,必要時更換換熱器材質。
圖3 煙氣露點溫度、H2O隨摻氫比例的變化
從圖3中可看出H2O產率隨摻氫比的增加而上升,意味著煙氣中可回收的潛熱上升近年來隨著節能降碳要求的提高，大型燃氣鍋爐房逐漸采用深度余熱利用技術來吸收煙氣中水蒸氣的潛熱,即用熱泵產生 20-30 ℃的低溫中介水,中介水的溫度低于煙氣露點溫度,與煙氣換熱吸收水蒸汽潛熱,作為熱泵的低溫熱源,大幅提高鍋爐效率,但由于采用了熱泵技術,投資一般相對較高。對此類余熱利用技術,摻氫燃氣的煙氣有兩點增益:一是煙氣露點溫度上升,相應的中介水的溫度可以提高，即提高了熱泵低溫側余熱水溫,利于降低熱泵造價和提高運行效率。是燃燒發熱量相同時，煙氣中可提供的潛熱變大,更有利于采用此類技術提升鍋爐效率可計得摻氫比 30%與零摻氫相比,完全的潛熱回收對提升鍋爐效率的貢獻由11%增加到12%,摻氫的貢獻為 1%。1mol的CH4生成2mol的H2O,1 mol的H2生成1mol的H2O。摻氫后單位體積燃氣H2O產量下降,相應單位體積燃氣可回收潛熱變少,同時燃氣熱值也下降,外供相同熱量時,需要燃燒更多燃氣,綜合二者因素,表現結果為可回收潛熱對鍋爐效率的貢獻略有上升。
04
結論
（1）天然氣摻氫比例在 30%內,對家用燃具性能及熱負荷影響不大。
（2）摻氫比例在50%內,相同熱負荷下的燃燒所需空氣量及生成煙氣量略有下降,對煙風系統影響較小。
（3）燃氣摻氫導致煙氣露點溫度上升,增加低溫腐蝕的風險;在相同熱負荷下,煙氣可回收的潛熱量略有上升,利于深度余熱技術的應用。
來源：低碳與供熱