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江先明 黄逊青
(广东万和新电气股份有限公司，广东佛山 528305)
在全球能源转型背景下，氢气作为可再生能源载体之一，以新的角色重新受到关注。氢能利用也被认为是加快可再生能源发展、实现能源低碳化的主要技术路径之一。在2019年11月，国家统计局印发《能源统计报表制度》，将氢气和煤炭、天然气、原油、电力、生物燃料等一起纳入2020年能源统计；
在2020年5月28日，第十三届全国人大第三次会议批准了2020年国民经济和社会发展计划，其中，在着力培育壮大新动能方面，将制定国家氢能产业发展战略规划作为2020年国民经济和社会发展计划的主要任务之一。据预测，到2030年，我国氢能将在终端能源体系中占5%，到2050年占比至少可达到10%。目前全球氢能产业处于快速发展阶段，已有超过30个国家制定了氢能发展路线图；
我国已有超过20个省、46个城市制订氢能产业的战略规划，有100多项相关地方政策出台。
氢气作为能源具有广泛的应用场景，既可用作化石能源（煤、天然气）、可再生能源（氢电互变）高度耦合的二次能源载体，亦可广泛应用于交通、工业和建筑等领域。在工业和建筑领域，其中一个应用场景是作为城镇燃气使用，成为家庭供暖、卫浴和烹饪所需燃料。而在实现纯氢应用之前，通过在天然气中掺入氢气获得富氢天然气（hydrogen-enriched natural gas, HENG）作为过渡方案，具有改造难度低、末端调节灵活的特点，不但可有效减少碳排放，减少城市基建投资（如市政设施），缓解天然气供应压力，也可以为纯氢应用提供参考经验。
虽然HENG定义为在天然气中掺入氢气的广义混合燃气，掺氢比例未作明确限制，不过，全球范围内多个示范项目的主要研究方向为10%～20%的掺氢比例上限，只有个别达到30%的掺氢比例上限。目前多项研究普遍认为，对于现有的天然气输配管网，以20%的氢气比例作为上限，在安全性、可靠性等方面不会形成新的技术风险。而对于终端低压输配管网，根据欧盟THyGA研究报告《氢气混合物的非燃烧相关影响——材料相容性》[1]的结论，氢气体积浓度为50%的HENG，在燃气压力不超过5 kPa的条件下，可以直接使用现有城镇天然气输配管道，管道无需任何改造。
国内外前期开展了多项关于12T天然气与HENG的互换性研究，以及燃气具对HENG的适应性的试验研究，同时，欧盟还完成材料相容性方面的阶段性研究并发布了相关成果[1]。但是，这些研究主要停留在技术可行性论证和示范验证阶段，国外尚无适用的正式发布的国际、区域（例如欧盟标准）、国家标准，国内也无国家标准和行业标准。
近年来，万和公司在富氢天然气家用燃气具的研究和开发领域持续投入，形成了富氢天然气家用燃气具系列企业标准，并在2021年3月举行的中国家电及消费电子博览会（2021AWE）上发布了系列产品，并提出了富氢就绪（HENG ready）、长寿命设计等技术方案，其中“富氢就绪”是富氢燃气具的一种燃气适配性设计方案，该方案使得燃气具在无需专业服务人员参与的情况下，能够同时适应12T和HENG，在预期的燃气参数变化范围内，满足燃烧稳定性的全部要求。基于万和公司系列企业标准，中国城市燃气氢能发展创新联盟在2021年10月发布了富氢天然气燃气器具联盟标准。本文分析、回顾和总结了万和公司在富氢燃气具研发过程中的主要发现和经验，以推进富氢燃气具研发水平，更好满足“氢进万家”战略实施要求。
1.1 HENG分类与特性
虽然人工煤气普遍含有氢气成份，例如，焦炉煤气中氢气比例约为60%，但是富氢燃气具与人工煤气燃气具存在以下明显的差异。
（1）燃气压力、燃气热值不同：人工煤气额定压力为1 kPa，HENG则按天然气标准要求为2 kPa；
氢气比例为20%的HENG的热值约为焦炉煤气的2倍，与12T的热值差异仅约15%。
（2）燃烧系统的结构参数不同：由于人工煤气与天然气的额定压力、燃气热值、空燃比等均存在较大的差异，导致两者在与燃气压力、燃气流量、空燃比相关的零部件结构参数，如流道尺寸、引射参数等差异使得选型有明显不同，设计时无法用同一个燃烧器适应两种燃气，换言之，若满足对人工煤气的适应性，就不能满足对HENG的适应性，反之亦然，故燃烧系统差异较大；
又如，由于人工煤气的压力低，HENG无法在人工煤气的压力范围通过回火界限气检测；
而HENG与天然气的差异较小，两者的燃烧系统差异较小，尤其是按“富氢就绪”要求设计的燃气具，燃烧系统可以同时适用12T和HENG。
（3）界限气标准不同：人工煤气的界限气在GB/T 13611—2018《城镇燃气分类和基本特性》中有明确的规定，而HENG的界限气目前尚无国家标准或行业标准给予规定，即使在国外也缺乏正式的国际标准和区域标准的规定。
由于富氢燃气具与天然气燃气具差异较小，对于富氢燃气具研究和开发的首要课题就是兼容性设计：在天然气燃气具的基础上，通过合理的参数调整，使之适应HENG。而利用界限气进行燃烧状态试验，就是验证这些设计参数调整合理性的重要依据。
万和公司参考现有资料提出了企业标准Q/WHX T02121—2021《富氢天然气燃气分类和基本特性》，其中对HENG的分类和特性进行了规定。表1和表2分别选取7R与12T作为人工煤气和天然气的代表，对比了氢气比例分别为10%和20%的HENG“10S”和“20S”与这两种燃气的特性差异，其中VCH4，VH2，VN2，VC3H8分别对应试验气中甲烷、氢气、氮气和丙烷的体积分数。
表1 试验气组成对比Table 1 Composition of test gases
表2 基准气特性对比Table 2 Characteristics of the reference gases
1.2 富氢燃气具研发过程的关键技术问题
1.2.1 燃烧稳定性
在富氢燃气具的研究和开发工作中，确定界限气要求的主要目的是解决燃烧稳定性的考核问题。
对于10S，在确定回火界限气过程中，按华白数变化幅度计算得出的界限气组份为VCH4=80% ，VH2=20% ，考虑到12T的回火界限气要求，组份为VCH4=77% ，VH2=23% ，较上述计算结果更为严酷，故直接引用了12T要求。由此可知，现有12T燃气具可以满足氢气比例不超过10%的HENG的燃烧稳定性要求。
对于20S，按照Q/WHX T02121—2021的规定，其黄焰界限气和脱火界限气对应的燃烧稳定性要求较12T要求更为宽松，只有回火界限气更严格。因此，对于采用“富氢就绪”的燃气灶具，由于万和公司采用了无需服务人员现场调整器具状态的方案，相应地，燃气具工作区域无缝覆盖12T和HENG工作区域，因此，界限气可以简化为，12T的黄焰界限气和脱火界限气，以及氢气比例上限的HENG对应的回火界限气。例如，声称可同时满足12T以及氢气比例不超过20%的HENG的燃气灶具（简称为20H燃气灶具），全部的试验气为如下。
（1）基准气：12T基准气、20S基准气；
（2）界限气：12T黄焰界限气、12T脱火界限气、20S回火界限气。
由此可将界限气种类由6种简化为3种，在风险控制能力不变的前提下，显著降低燃气灶具开发的成本，同时提高开发效率[2]。
1.2.2 材料相容性
首先，理论上金属材料接触氢气可能形成氢脆风险，主要原因是，氢气会降低金属部件和管道的机械性能，因此会发生氢脆现象，例如氢与管线的结构钢铁材料中的碳反应生成甲烷并在钢铁材料内部形成局部高应力，造成钢铁材料脱碳和产生微裂纹，导致钢铁材料的力学性能发生不可逆的劣化。其次，氢气与非金属材料如聚乙烯的相容性问题以及氢在金属和聚合物材料中的泄漏倾向，均会对富氢燃气具的运行带来较大安全隐患。此外，氢脆现象也在某些条件下会对铜、铝等材料产生危害，例如，当结构部件处于高应力状态时。
对于上述问题，万和公司借鉴国内外行业经验提出了若干措施，包括直接采用12T燃气具的材料相容性要求，改进泄漏控制措施和提出低应力设计控制措施等。参考欧盟THyGA研究报告的成果，当燃气压力不超过5 kPa时，现有燃气具常用金属材料在低应力条件下能够与氢气比例不超过50%的HENG相容，常用的非金属材料相容性类似[1]。对于该约束条件，由于燃气具正常运行条件下输入端燃气压力一般不超过3 kPa；
另外，欧洲计划近期实施的HENG示范项目的氢气比例均为20%以下，而日本林内公司原先推出的某系列12T燃气具，事后确认不仅可以适应纯甲烷，而且可以适应氢气比例最高至30%的HENG[3]。结合GB/T 13611—2018《城镇燃气分类和基本特征》要求的理解，行业在过去20多年积累的材料要求对于富氢燃气具是有充分裕度的。而且，非金属材料化学相容性研究表明，聚合物材料，特别是聚乙烯，在双原子氢气中长期暴露也不会发生劣化[1]。
因此，在万和公司的企业标准中规定，富氢燃气具的结构材料只需符合GB/T 38442—2020《家用燃气燃烧器具结构通则》以及相应产品的强制标准要求即可，具体要求包括如下。
（1）使用HENG的燃气具，其与燃气接触的结构材料的相容性要求，与12T燃气具相同。
（2）燃气具的材料和结构应符合GB/T 38442以及相应产品的强制标准要求，其中户外产品还应符合GB/T 38522—2020《户外燃气燃烧器具》第5章要求。
（3）燃气具各部件的结构均应有良好的密封，其密封性能应符合Q/WHX T02122.1—2021《富氢天然气家用燃气具通用要求》的要求。
1.2.3 泄漏控制
氢气泄漏速率约为甲烷的2.5倍，参考欧盟THyGA研究报告的成果，在低供气压力条件下，金属材料和聚合物材料中氢气的泄漏损失基本可忽略不计。万和公司在研究过程中，从保障产品安全和用户安全，以及提高产品质量要求的角度，在燃气具相关国家标准的安全要求基础上，对富氢燃气具燃气系统的气密性要求进行大幅度加严。
在万和公司企业标准Q/WHX T02122.1—2021中，将允许的泄漏限值降低至国家标准中天然气泄漏限值的1/8。具体规定如下。（1）在以下试验压力条件时，通往燃气主通路的第一道阀门的漏气量应不大于0.03 L/h；
（2）燃气热水器、燃气采暖炉：试验压力不低于15 kPa；
（3）燃气灶、燃气户外烤炉及燃气烤箱：试验压力不低于21 kPa条件。
同时，考虑到自紧密封结构的影响，增加试验压力为0.5～0.6 kPa的微压测漏试验要求[4]。
1.2.4 低应力控制
低应力控制手段用于控制燃气具中承压部件的金属结构材料可能形成的氢脆风险。
欧盟THyGA研究报告提醒，降低终端的低压力燃气管网中金属材料发生氢脆风险的前提是，这些结构部件处于低应力水平[1]。通常情况下，燃气具金属承压部件的结构强度设计基本要求是，在正常运行条件下这些部件的应力低于爆破强度的1/3，并以低于1/6作为低应力的标志，运用低应力设计措施的典型意义是减少脆性材料的强度失效风险。因此，低应力设计也作为HENG燃气具中金属结构部件应对氢脆风险的措施，在企业标准Q/WHX T02122.1—2021中规定，对燃气具密封件、器件级气密性应按不低于21 kPa的试验压力进行结构验证。即结构部件在最高工作压力7倍的承压条件下仍然保持正常的气密状态，换言之，相关密封件、零部件在燃气具实际运行过程中，其最高应力水平明显低于其爆破强度的1/7，确保金属结构材料的应力水平满足低应力控制要求。
1.2.5 富氢就绪
考虑到HENG燃气具推广应用的便利性和经济性，例如，在城镇燃气切换时，是否需要重新购置燃气具，另外，受原料气质量和成本等方面的影响，其成分可能出现一定范围的波动，富氢燃气具应当可以保持安全和性能稳定。万和公司提出了“富氢就绪”的概念，满足“富氢就绪”要求的燃气具，在12T向HENG的切换过程中，在氢气比例不超过20%的气源变化条件下，燃气具无需改装和调整即可适应。在不具备HENG供应条件的情况下，先使用12T，供应条件具备后可直接使用氢气比例不超过20%的HENG。目前，万和公司设计和开发的所有型号富氢燃气具均符合“富氢就绪”的要求。
同时，满足“富氢就绪”要求的燃气具，一方面使燃气具对气源具有较宽范围的适应能力，并在燃气管网的燃气切换过程具有明显的优势；
另一方面也可以简化燃气具生产过程的工艺方法和设施，使得利用现有天然气燃气具的生产过程检测方法和设备，即可有效实现富氢燃气具生产过程的质量安全控制。虽然与仅适应特定单一气种的HENG相比，这类燃气具在技术和经济措施方面需要一些额外的代价，但是可获得的回报是妥善解决上述两个问题，降低未来HENG的商业化应用的成本。
在家用燃气具领域，燃气具对燃气的适应能力主要体现在对燃烧特性的适应能力方面，具体反映在满足燃烧稳定性、安全性要求。燃气具的符合性，通过规定的试验进行，试验方法和判定准则均按现行产品标准。由于每一种具体燃气的特性实际上是由基准气和界限气以及不同的供气压力组合而成的，通常在产品上标识的气种，准确来说只是基准气，而每一种基准气需要配套离焰、黄焰、回火界限气，这些界限气与相应的压力组成的包络线构成燃气具的安全、稳定工作区域，现行产品标准对此已经有详细和具体的规定。
富氢就绪就是使燃气具工作区域能够覆盖12T和HENG，实现方式包括无需服务人员现场切换和由服务人员现场切换两种。前一种实现方式，要求燃气具工作区域无缝覆盖12T和HENG的工作区域；
而后一种实现方式，12T和HENG的工作区域之间存在非工作区域。本课题的主要创新点之一，是确定HENG的界限气，燃气具是否具备富氢就绪特性，通过用这些界限气按规定的试验方法和判定准则确定。至于材料相容性问题，虽然也存在两种燃气的适应问题，是广义的富氢就绪问题，但是，与燃气适配性问题相关性较弱，所以，没有将此问题纳入富氢就绪的技术要求内容。
综上所述，燃气具产品具备富氢就绪特性的设计要求，就是燃气具对12T和HENG均具备良好的适应性，判定的依据是以12T和HENG的界限气与相应的供气压力组合成试验条件，按现行的产品标准规定的试验方法和判定准则，检查其符合性。
1.2.6 技术标准体系
由于尚无适用的国家标准和行业标准，万和公司于2021年2月发布了富氢天然气系列企业标准，包括富氢天然气燃气分类和基本特性，以及富氢天然气家用燃气具的通用标准和特殊标准。并在此基础上，协助中国城市燃气氢能发展创新联盟发布了一系列联盟标准，见表3。
表3 中国城市燃气氢能发展创新联盟标准Table 3 Alliance standards by China hydrogen development and innovation alliance for urban gas
分别对富氢天然气家用燃气快速热水器、燃气采暖热水炉及燃气灶具进行测试，包括
（1）热负荷、热效率；
（2）过剩空气系数α = 1时，干烟气样中一氧化碳含量，记为COα=1；
（3）过剩空气系数α = 1时，干烟气样中氮氧化物量，记为NOX（α=1）。
内部及外部实验室测试结果汇总见表4～表6。
表4 富氢热水器各主要技术指标对比Table 4 Comparison of main performances of HENG water heaters
表5 富氢采暖炉各主要技术指标对比Table 5 Comparison of main performances of HENG boilers
表6 富氢燃气灶各主要技术指标对比Table 6 Comparison of main performances of HENG cookers
在热负荷方面，随着氢气比例的增加，HENG的华白数、发热量和相对密度逐渐降低，而在氢气比例不超过20%时，HENG高位发热量符合31.97～43.57 MJ/m3的波动范围，华白数偏差在–1%～–6%之间，因此HENG会造成燃气具热负荷降低，但下降幅度并不大，这是目前欧盟THyGA项目以及国内相关研究一致的观点。
在热效率方面，部分研究结果认为HENG的应用会使燃气具的热效率提高。但实际试验发现，HENG对热效率的影响并无明确规律，主要与产品的初始设计有关。例如燃气灶具，如果按照12T气源设计的锅底热强度恰好为5.47 W/cm2，则在使用HENG时会改变其原有的燃烧状态，导致热效率的下降；
而对于热水器和采暖炉，两者均配有自控系统，而且有封闭的燃烧室和换热结构，经过热平衡分析，过量空气系数与换热效果（体现为烟气温度）的变化是产生热效率差异的主要原因。
在燃烧产物方面，目前普遍认为HENG可降低COα=1含量。根据试验结果显示：COα=1含量普遍下降。不过，NOX（α=1）含量的变化未呈现明显的规律性。
在燃烧工况方面，利用界限气按相关产品标准检测，燃气具均未出现回火、离焰和黄焰的现象。其中，适用氢气含量为20%的HENG燃气具的回火试验条件为，试验气组分为VCH4=65% ，VH2=35% ，试验压力为1 kPa。
另外，经测试验证，满足“富氢就绪”要求的燃气具除了热负荷发生小幅度的变化之外，安全性能、使用性能均保持不变。因此满足“富氢就绪”要求的燃气具可在计划输送HENG的地区提前安装，燃气具无需因为未来气源切换而进行更新。
氢气作为家用燃气具的燃料的应用是氢能一种具有代表性的利用方式，相对于其他利用方式，具有技术成熟度较高和终端设备投资少等优势。纯氢气直接在住宅场所应用，无论输配送管网等设施还是燃气具，现有的条件均无法适应，因此，富氢天然气家用燃气具应用是现阶段实现氢能利用的可行方案。从国内外前期的多年研究、验证情况来看，在12T天然气中掺入比例不超过20%的氢气，不论管网设施还是燃气具的适应性调整工作相对简单易行[5]。万和公司在富氢天然气家用燃气具研发工作的实践已经表明，在现有12T天然气家用燃气具的基础上，仅需要采取小幅度的技术变更，无需大幅度增加制造成本，就可以满足适应掺氢比例为0～20%的HENG要求。不仅在使用12T的条件下满足现行国标要求，而且满足在使用HENG条件下，按企业标准规定的界限气条件，通过依据现行国标规定的试验方法和判定准则进行检测的燃烧稳定性、安全性等要求。
万和公司的富氢天然气家用燃气具的研究和开发工作，主要解决了确定界限气特性，并对材料相容性、泄漏控制、低应力控制、富氢就绪等问题，明确了满足对掺氢比例为0～20%的HENG的适应性要求的技术措施和实施方案。研究表明，现有12T天然气家用燃气具可以适应氢气比例不超过10%的HENG，同时，万和公司的富氢天然气家用燃气具研发成果，为HENG的规模化应用提供了具有合理技术经济性的“富氢就绪”方案。
对富氢天然气家用燃气具的检测结果分析，热负荷、一氧化碳和二氧化碳随HENG中氢气比例的增加而降低，但是氮氧化物的变化趋势则是不确定的，因此，氮氧化物的控制措施是未来研究的重点，此外，富氢天然气家用燃气具的市场准入管理课题也是未来的研究重点内容。
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