天然气中掺入一定比例氢气形成的掺氢天然气，可以直接通过在役天然气管道输送。目前，天然气掺氢输送是氢能输送的最佳途径。掺氢天然气不仅可以实现长距离、大规模的氢能输配，还能快速打通制氢、储氢、输氢及用氢的全产业链。

由于各国天然气气质与管输要求不同，全球范围内对于掺氢天然气管输允许的最高掺氢比尚无统一定论。2020年，意大利的Snam公司将天然气管道内的掺氢比从5％提升至10％^[6]。法国GRHYD项目成功地将掺氢比为6％的掺氢天然气通过天然气管网输送^[7]。英国于2019年提出了HyDeploy项目，将体积分数为20％的氢气掺混到基尔大学的天然气管道，并已为100户家庭和30座教学楼提供燃气^[8]。相较于国外，中国的相关研究起步较晚，GB/T 37124—2018《进入天然气长输管道的气体质量要求》明确规定，氢气的摩尔分数不能超过3％。中国石化、深圳燃气、国家电投等企业及相关研究机构对天然气掺氢比进行了初步研究。截至2021年，在朝阳天然气掺氢示范项目中，燃气锅炉以掺氢比10％的掺氢天然气作为燃气，已安全运行一年^[9]。总体而言，掺氢比较低的掺氢天然气能够较好地与现有天然气管网系统相兼容。

将氢气掺入天然气管道中输送时，会对管道造成一定的危害。蒋庆梅等^[9]认为掺混氢气导致的管道损害主要包括氢脆、氢致开裂、氢鼓泡、脱碳以及氢腐蚀等，促使管道材料的韧性降低、疲劳裂纹扩展速率增大，存在燃气泄漏风险。Zhou等^[10]测试了掺氢比为0～5％的掺氢天然气对X80管线钢的影响，结果显示，氢气含量越高，X80管线钢的氢脆现象越严重。Dodds等^[11]提出，分别使用软钢管道输送高压氢气、聚乙烯管道输送低压氢气，可以有效降低氢气对管道的损害。张小强等^[12]研究了氢气浓度、输送压力等操作参数对天然气管道安全性的影响，结果表明，随着掺氢比从10％增至20％，管道的安全操作压力从7.70 MPa降至5.38 MPa。可见，管道氢脆现象的发生与掺氢比密切相关，为保证输送管道设施的安全，需要严格控制掺氢天然气中的掺氢比。

天然气掺氢技术有利于实现氢气的大规模运输，促进氢能相关产业的发展，助力燃气领域的技术转型和产业升级。但掺氢导致的天然气输送管道设施氢脆失效等安全性问题不容忽视，是目前掺氢天然气管输领域亟需突破的瓶颈^[13]。

在互换性研究中，若置换气能够在原有基准气的燃具上燃烧，且燃烧时的燃烧特性以及效果与基准气保持一致，则认为置换气可与基准气互换。

目前，国际上常用A.G.A指数法、Delbaurg法、Weaver法来确定燃气互换性^[14-16]。以Delbaurg法、Weaver指数为标准，满足互换性要求的掺氢比分别为24％、13％^[17]。梁普等^[18]通过研究提出，在考虑燃气互换性时，可选择高华白数与低热值、高华白数与理论空气量、高华白数与燃烧势、低热值与燃烧速度、理论空气量与燃烧速度两两参数组合的形式判断燃气互换性。在GB/T 13611—2018《城镇燃气分类和基本特性》中，推荐使用华白数与燃烧势作为燃气互换性评价指标。根据掺氢比对掺氢天然气的高热值华白数、燃烧势的影响规律（图1）可见，随着掺氢比增大，掺氢天然气的华白数先减小后增大，燃烧势则持续增大。赵伟等^[19]以华白数与燃烧势这一对参数指标组作为评价依据，认为中国普遍使用的燃气（12T天然气）互换的掺氢比为0～29.6％。

图1 掺氢比对天然气华白数、燃烧势的影响规律图Fig. 1 Influence of hydrogen blending ratio on wobbe index and combustion potential of natural gas

不同地区的天然气组分、燃具的类型都有差异，未来应根据不同的情况，综合考虑安全性与经济性，因地制宜，建立一套适合中国燃气体系的互换性评价标准。

纯天然气、纯氢气的燃烧机理已经明确，但天然气掺氢后的反应机理仍处于探索阶段。目前，常见的CH₄反应机理有GRI-Mech3.0机理^[20]、San Diego机理^[21]、NIST（National Institute of Standards and Technology）机理及英国利兹大学开发的Leeds机理。由于GRI-Mech3.0机理的完整性及精确性较好，现阶段大部分研究均使用该机理对掺氢天然气进行模拟。

Hu等^[22]在对GRI-Mech3.0机理进行验证时发现，在适当的掺氢比下，GRI-Mech3.0可以较好地模拟掺氢天然气的层流火焰速度；同时，依据GRI-Mech3.0机理确定了对掺氢天然气的释热最有贡献的主要反应式，发现掺入氢气会导致火焰中H和OH自由基浓度增大，进而影响燃烧特性^[23]。根据掺入氢气对甲烷自燃机理的影响（图2）^[24]可见，氢气的加入促进了H和OH自由基浓度增大，进而加快了CH₃、CH₃O、CH₂O自由基的生成，从而加速了甲烷的自燃。

武凯东^[24]在GRI-Mech3.0天然气燃烧机理的基础上，添加了部分氢气燃烧机理，并通过缸内温度、压力、累计放热量、CH₂O的含量变化以及NO排放量等参数对模型进行了验证，建立了可以有效模拟内燃机中掺氢天然气燃烧的简化模型。

图2 氢气对甲烷燃烧机理的影响示意图Fig. 2 Influence of hydrogen on methane combustion mechanism

可见，在不同掺氢比、当量比以及不同操作工况（包括压力及温度等）条件下，对掺氢天然气燃烧机理的简化还需深入研究。此外，现有的简化机理模型大多基于层流燃烧速度进行简化，未来仍需对简化模型进行更加深入的研究，从而匹配各种不同的工况。

在一定的压力、温度条件下，燃料的可燃极限是确定的，但当燃料与氧化剂的比值高于可燃上限或低于可燃下限时，无论多大的点火能量都不能点燃混合物^[25]。Hankinson等^[26]研究了CH₄-H₂-空气混合气的燃烧特性，发现随着氢气含量增加，最小点火能量、熄火距离均逐渐减小。陈肯等^[27]使用圆柱形的燃烧装置测试了不同掺氢比下掺氢天然气的可燃下限，发现随着掺氢比增大，可燃下限先上升、后逐渐趋于稳定。

在点火前期，还需考虑火焰的传播过程。Law等^[28]在大气压力下，使用丙烷稀释氢气浓度的实验方法研究火焰形态的变化过程，发现随着丙烷质量分数增加，热扩散稳定性和流动不稳定性均减小，表明氢气的添加会使得火焰的不稳定性增加，从而导致点火失败。

在设计掺氢天然气燃烧装置时，充分考虑燃料中氢气的含量对着火以及稳燃特性的影响是设计的前提，同时过早或过晚着火、爆燃、熄火等非预期着火工况也是设计过程需考虑的因素。

掺氢天然气的燃烧速率受多方面因素的影响。尉庆国等^[29]通过CH₄-氢气-空气预混气的燃烧实验发现，火焰的传播速率受初始温度和初始压力的影响较小，但受当量比和掺氢比的影响较大。Wang等^[30]基于FFCM-MECH机理对掺氢天然气燃烧进行了模拟分析，发现层流燃烧速率随着掺氢比的增加、初始温度的升高而增大，但随着初始压力、CO₂稀释比的升高而降低。常铭等^[31]在定容燃烧室内研究了天然气-氢气-空气的火焰传播过程，发现随着当量比的增大，层流燃烧速率先增大、后减小。Dong等^[32]在本生灯上测试了不同掺氢比的掺氢天然气层流燃烧速率，发现随着掺氢比升高，层流火焰速率先增大、后减小，在掺氢比超过60％后，层流燃烧速率骤升。

Hu等^[33]在定容燃烧室内研究了掺氢天然气的层流燃烧特性，发现氢气的加入能促使H、O、OH自由基含量增加，从而加快部分基元反应，且掺氢天然气的层流燃烧速率也增大。Ueda等^[34]采用球形膨胀火焰法，在初始温度为283 K、初始压力为0.1 MPa的条件下，研究不同CO₂稀释度下掺氢天然气的层流燃烧速率，发现随着CO₂浓度增加，层流燃烧速率逐渐减小。这主要是由于CO₂的加入，H、O、OH等自由基的浓度减小，部分基元反应的速率减慢、热扩散的效率下降，从而降低了层流燃烧速率。

不同掺氢比的混合气在燃烧过程中会有不同的自由基产生路径，不同浓度的自由基又直接影响基元反应，从而影响层流燃烧速率。因此，当以掺氢天然气作为燃料时，需根据燃烧室的结构和性能要求，确定合适的掺氢比以及当量比，从而控制燃烧速率。

天然气中掺入氢气后，燃气的等效密度、黏度以及热导率等热物性参数发生变化，燃气的流动与传热特性相应发生改变，因此掺氢比会对火焰的稳定性造成影响。

在大量的研究中，通常利用马克斯坦长度（Lb）来表征火焰的稳定性。常铭等^[35]在高温（450 K）、高压（0.75 MPa)工况下对火焰稳定性进行分析，发现随着掺氢比增大，Lb逐渐减小，对应火焰的稳定性减弱。苗海燕等^[36]在定容燃烧室内分析了不同掺氢比、当量比的掺氢天然气的火焰稳定性，结果表明，当掺氢比为20％时，火焰趋于稳定；当掺氢比升高至80％，只有当量比不低于1.2时，火焰才趋于稳定。

邓凯等^[37]针对不同掺氢比的天然气燃烧稳定性进行研究，发现氢气含量增大会影响火焰流场的热质传输特征、OH基浓度，从而对燃烧稳定性产生影响。陈立等^[38]在低旋流燃烧器中研究了掺氢天然气火焰的稳定机制，发现掺氢比会影响火焰流场结构中的高速剪切区和中心低速区，进而影响火焰稳定性。Arrieta等^[39]在辐射多孔介质燃烧器内测试了高含氢合成气的燃烧稳定性，结果发现高含氢合成气火焰稳定性与纯天然气并无显著差异。

掺氢天然气火焰的稳定性随着掺氢比的增大而减弱，但随着当量比的增大而增强。因此，可以在一定程度上增大当量比，并通过减小旋流火焰的旋流速度、采用多孔介质燃烧等技术，保证较高掺氢比的掺氢天然气的稳定燃烧。

掺氢天然气燃烧过程中的排放物主要有炭烟、CO、NO_x等污染物成分。

王珂等^[40]在研究中发现，随着掺氢比增大，火焰温度逐渐上升，基元反应O+H₂ H+OH的速率逐渐增大，H和OH自由基浓度增大促进炭烟成核，而掺氢后使得碳元素的浓度降低，综合两种因素，炭烟的整体排放量呈现降低的趋势。此外，王玮等^[16]发现随着掺氢比增大，CO的排放浓度降低，其原因在于掺氢后OH自由基浓度增大，从而加速了CO向CO₂链的反应；同时，氢气含量的增加会降低燃料中的含碳量，减少CO的生成，使CO生成的峰值减小。

NO_x按生成机理可以分为热力型、快速型、燃料型。在燃烧过程中，随着温度上升，快速型NO含量呈现下降的趋势^[41]。邓荻^[42]研究了掺氢对NO排放的影响，发现随着掺氢比增大，NO的排放量逐渐增大，这主要是因为氢气的加入对热力型NO的促进作用大于对快速型NO的抑制作用。根据不同研究者^[43-45]燃烧掺氢天然气测试所得的NO_x排放量（图3）可见，随着掺氢比增大，NO_x排放量未呈现出明显的变化规律。

图3 不同研究者测试的NOx排放量对比图Fig. 3 Comparison of NOx emissions tested by different researchers

可见，在使用掺氢天然气作为燃料时，应结合实际情况，确定合适的操作工况以减少污染物排放量，从而推动掺氢天然气成为低排放的替代方案。

针对掺氢天然气作为燃气具燃料的可行性分析主要集中于安全适应性、热效率以及排放性能等方面。

Zhao等^[43]研究了不同氢气含量情况下加热炉燃烧器的燃烧性能参数，发现用天然气完成点火，可以成功在燃料中掺混55％的氢气，且不会发生回火；随后， Zhao等^[44]基于炉顶燃烧器研究了掺氢天然气对回火特性的影响，发现当掺氢量超过25％时会发生回火的现象。Sun等^[45]测试了煤气热水器在改烧掺氢天然气后的燃烧性能，发现当氢气比大于23％时，会发生回火现象。Jones等^[46]利用环形燃烧器（图4，其中Q₁、Q₂、Q₃分别为3种气体流量的设定值）进行了相似实验，结果表明，在燃烧器中使用掺氢比为34.7％的掺氢天然气，不会发生回火现象。两组实验结果不同，未来仍需进一步针对多种通用燃烧器的安全适应性展开研究，并充分考虑影响燃烧性能的各种因素。

图4 掺氢天然气环形燃烧器模型图Fig. 4 Model of hydrogen hoped natural gas ring burner

严荣松等^[47]对不同的天然气灶具、快速热水器、采暖热水炉进行了掺氢测试，实验结果表明：随着氢气含量增大，灶具、热水器及热水炉的热效率都保持稳定且符合国家标准GB 16410-2007《家用燃气灶具》、GB 6932-2015《家用燃气快速热水器》及GB 25034-2010《燃气采暖热水炉》的要求。冯帅明等^[48]对一种以掺氢天然气为燃料的大气式燃烧器进行数值模拟，发现随着一次空气系数从0.05增至0.30，温度峰值和NO_x的排放量先增大、后减小。

当前，针对使用掺氢天然气作为燃料的家用燃气具的研究尚处于起步阶段。掺氢比会对燃气具的安全性能、热效率以及排放特性等方面造成影响，未来仍需进一步针对家用燃烧器展开研究，确定家用燃气具掺氢比的安全标准。

为了降低燃气轮机碳排放并提高热效率，国内外相继开展掺氢天然气燃气轮机相关研究。

崔耀欣等^[49]对F级重型燃气轮机进行了掺氢测试，结果发现，当掺氢比为10％～20％时，燃气轮机可以满足排放、回火以及稳定性的要求。王阳墚旭等^[50]采用热力计算的方法，以原燃烧天然气的燃气轮机为基础，对其在改烧纯氢后进行了结构优化，结果表明，燃烧工质的改变对燃烧室不同结构的影响程度不同，后续尚需对燃烧室的长度、旋流器出口距离以及掺混孔孔径进行协调改进以达到最佳效果。马勤勇等^[51]对某F级燃气轮机在改烧掺氢天然气后的运行特性进行了计算分析，结果发现掺氢比的加大会提高燃气轮机满负荷条件下的发电效率。

当“碳中和”成为全球共识时，各燃气轮机厂生产商开始密切关注氢能在燃气轮机上的应用（表1），各大生产商推出了相应的发展计划，并取得了一定的成果。川崎重工提出了一种“纯氢燃烧干式”的燃烧技术：微小氢火焰，用来开发纯氢、低NO_x排放的燃烧器。三菱重工正开发一种纯氢多点燃气轮机，但需解决回火问题，并实现低NO_x燃烧^[52]。西门子能源2019年承诺“到2030年，燃气轮机的燃氢能力将逐步提高至100％”。通用电气也确立了HA级燃气轮机将在2030年前具备100％燃氢能力的目标。

表1 不同燃气轮机生产商氢燃料燃机研究进展表Table 1 Research progress of hydrogen-fueled gas turbines by different gas turbine manufacturers

此外，燃气轮机生产商也在一些地区进行了氢燃料燃机示范项目。处于行业领先地位的通用电气公司的掺氢燃气轮机已经在Eight Flags CHP电厂、大山精炼厂、富西纳电厂以及惠州大亚湾综合能源站等地投入了商业应用^[53]。在中国，国家电投于2022年对掺氢比为30％的运燃机燃烧进行了改造，并实现了成功运行；哈电通用燃气轮机有限公司今年生产出了首套掺氢9HA级重型燃机，助力惠州掺氢燃烧电厂实现将掺氢比10％的掺氢天然气作为燃料。

总之，国内外纯氢/掺氢燃气轮机方面研究相对成熟，已取得了一定研究成果以及实际应用经验，但仍需对其高效性、稳定性、更低的CO及NO_x排放量等问题进行研究。

压缩天然气作为发动机燃料始于19世纪30年代，至今仍在使用。但其稀燃能力较差，排放的废气中含有大量有害气体CO、NO_x。使用掺氢天然气可以很好地解决上述问题，并对内燃机的燃烧有明显的促进作用。

掺氢天然气发动机的指示热效率（Indicated Thermal Efficiency，ITE）受掺氢比、恒定转速下的过量空气比的影响很大。李岳林等^[54]模拟计算了掺氢比为0、2％、5％的掺氢天然气在均质压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）发动机的燃烧过程，结果表明，随着掺氢比增大，HCCI发动机的放热率不断提高；在稀掺氢的情况下，HCCI发动机的燃烧动力性会得到很大的提升。Mariani等^[55]在发动机转速恒定为1 600 r/min、掺氢比为20％、过剩比为1.6的工况下，分析了压缩比为10、11及12时的热效率，研究发现压缩比的增大可以有效提高热效率、增加制动扭矩输出。胡二江^[56]在一台天然气发动机上开展了掺氢天然气与废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）相结合的研究，根据EGR控制系统运行情况发现，随着EGR率上升，ITE呈现先增加、后降低的趋势，且在EGR为10％时达到最大值。此外，马凡华等^[57]在研究中发现，采用发动机稀薄燃烧技术能够降低NO_x的排放量。

综上，在众多的研究中，可以选择合适的掺氢比、过量空气比来达到更高的热效率。同时，还可以结合EGR或采用稀薄燃烧等技术实现掺氢天然气发动机高效、低污染燃烧。总体而言，国内外掺氢天然气的应用已经取得了一定的应用成果。但掺氢燃烧相关的法律法规及标准体系尚不健全，限制了掺氢天然气的应用与推广，亟需进一步建立健全相关法规和行业标准体系。