摘要：目前，供热约占英国能源消耗的一半和二氧化碳排放量的三分之一。政府已通过清洁增长战略表明其打算提供负担得起的低碳能源，而要实现这一目标，可能需要建筑物中的热量几乎完全脱碳。有许多技术有可能在供热脱碳方面发挥作用，包括热网、热泵、氢气和沼气，但目前尚不清楚哪种技术

部署家用氢气设备有助于英国能源使用脱碳。但它的可行性如何？工程师 Stephen Livermore

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目前，供热约占英国能源消耗的一半和二氧化碳排放量的三分之一。政府已通过清洁增长战略表明其打算提供负担得起的低碳能源，而要实现这一目标，可能需要建筑物中的热量几乎完全脱碳。有许多技术有可能在供热脱碳方面发挥作用，包括热网、热泵、氢气和沼气，但目前尚不清楚哪种技术在规模上效果最好。

在英国，人们对氢在供热脱碳中的作用越来越感兴趣。氢气可用于现有的天然气系统，通过与天然气混合或将气体系统完全转化为氢气。如果能够大规模开发和交付低碳制氢方法，这有可能显著减少碳排放。

家用天然气锅炉的运行示意图

主要选项包括蒸汽甲烷重整 （SMR） 与碳的封存（捕获和长期储存）相结合，或以可再生能源为动力的水电解。本研究试图了解是否有可能开发家用燃气器具，以便在使用 100% 氢气时实现必要的性能和安全性。

对于给定的输送压力，氢气和天然气在通过燃烧器喷射并在另一侧燃烧时提供相似的能量通量。然而，氢气的可燃性范围比天然气大，火焰速度也更高。燃气燃烧器的设计使流经燃烧器端口的气体速度大于火焰速度，以便将火焰限制在端口外部。火焰速度越快，氢气就越容易发生轻回反应，在那里它会传播回上游，并且鉴于其更大的可燃性范围，这会对燃烧器后面的任何气体混合物造成点燃的风险。

家用天然气炉的运行示意图

家用天然气炉灶使用常压燃烧器，该燃烧器通过将气体（通常从下方）注入燃烧器组件来运行（图 1）。气体射流夹带燃烧器下方的周围空气，这在气体-空气混合物流经燃烧器周围的孔（端口）之前提供了一些初级曝气，并在燃烧器的外侧被点燃。由气体射流的动量产生的初级曝气不足以进行完全燃烧，额外的空气（二次空气）在燃烧时自然会被吸入火焰中。改用氢气将需要去除主要气流，以及可燃气体可能积聚并可能点燃的任何空隙空间。在天然气设备中，火焰失效装置可以检测气体何时流动但没有火焰，通常需要大约 30 秒才能响应——氢气可能需要明显更快的响应时间。烤箱和火在几何形状上与炉灶略有不同，但工作方式相似，因此需要进行类似的更改。

现代冷凝锅炉使用预混燃烧器以机械方式吸入天然气，并在燃烧前将其混合成化学计量比例（图 2）。潜热是通过从热交换器中的废气中冷凝出水蒸气来捕获的，这要求燃烧器系统（和火焰）朝下，以便冷凝水从燃烧器中滴落。预混燃烧可能与氢气不相容，因为很难保护燃烧器表面后面的可燃气体混合物的体积免受光反射。

一种可能性是将空气直接引入燃烧器表面的气体中，甚至可能同时引入两种气体。与其他设备不同，锅炉使用电离传感器通过废气中碳氢化合物的存在来检测燃烧不良。这些碳氢化合物在燃烧氢气时不会发生，需要为家用锅炉开发替代传感器，也许使用其他行业广泛使用的紫外线 （UV） 或红外 （IR） 传感器。

还有许多其他工程挑战需要解决：

与国内燃气器具制造商的合作表明，新设备可以 100% 使用氢气运行。通过从一开始就考虑到氢气的设计，制造商认为他们没有理由不能提供与当前天然气设备类似的性能、使用寿命和可靠性。可以对现有设备进行改造（类似于 1970 年代城市燃气转换中使用的方法），但性能可能会受到影响，因为任何剩余的组件都没有针对更高的温度进行优化。

开发可以在气体类型之间轻松切换的双燃料设备可以显着减轻转换时的负担，尽管这些可能需要将某些组件加倍，这将导致更大的尺寸和更高的生产成本。在单次气体转换的情况下，“氢气就绪”设备可能是一个有吸引力的中间地带。与高清电视类似，这些设备可以在开发时考虑氢气，但暂时重新安装以使用天然气运行，直到转换点。如果发生切换，可以使用简单甚至标准化的转换套件来轻松转换这些设备。

政府正在寻求更多关于氢气用于家庭供暖可行性的证据。除了这项研究外，它还委托 Hy4Heat 计划开发第一代家用氢气设备，并调查在电表下游使用氢气的安全案例，为潜在的实验试验做准备。

来源：陈讲运清洁能源