本书围绕“双碳”目标背景下氢能与天然气融合发展的前沿课题，系统阐述了天然气掺氢技术的全产业链关键技术、应用场景及未来挑战。全书从基础理论、氢气制备、掺混技术、管网输送、终端应用、能源管理到安全经济性分析，构建了完整的技术体系，并结合国内外示范项目，为清洁能源转型提供科学路径。全书系统梳理了掺氢天然气在生产、储运与终端利用中的关键技术要点，揭示了天然气掺氢后对管道完整性和终端燃烧器适应性的深层逻辑，以及氢逃逸对大气环境的潜在影响，并通过大量案例解析与数据分析，逐一说明不同行业在应用掺氢天然气时所面临的技术挑战与经济效益，最后结合碳税等政策预期勾勒未来产业布局和商业模式演变。
本书适用于从事城镇燃气、天然气以及氢气生产、运输、销售领域相关工作的专业人士，包括城镇燃气经营企业、天然气和氢气贸易商、生产氢气的化工企业和新能源企业、危化品运输企业专业技术人员，以及从事天然气、氢气相关设备装备的研发、制造、销售的企业工程师和技术人员，节能环保领域研究者及管理者等。同时，本书也可作为高等院校城建、能源、环境、化工等专业师生研究掺氢天然气技术和应用的参考用书。

序
前?言
第 1 章　 掺氢天然气概述1
1.1　掺氢天然气技术背景与国内外研究现状1
1.1.1　技术背景2
1.1.2　国内外研究现状4
1.2　掺氢天然气物理化学与燃烧性质5
1.3　掺氢天然气相关标准法规7
1.3.1　天然气掺氢标准法规体系现状7
1.3.2　国内外天然气掺氢技术标准进展11
第 2 章　 氢气制备及与天然气的混合技术14
2.1　氢气的制备与存储技术14
2.1.1　氢气的制备技术14
2.1.2　氢气的存储技术19
2.1.3　氢气的应用22
2.1.4　氢气的运输—天然气管道掺氢输送23
2.2　氢气与天然气的混合控制技术24
2.2.1　天然气掺氢技术简介24
2.2.2　天然气掺氢的应用场景28
2.2.3　混氢工艺31
2.3　氢气与天然气的掺混装备36
2.3.1　核心部件静态混合器的设计与优化36
2.3.2　混氢系统主要设备37
第 3 章　 掺氢天然气管网输送技术48
3.1　既有天然气管道输送掺氢天然气的适应性研究48
3.1.1　发展既有天然气管道掺氢输送技术的必要性48
3.1.2　天然气管道掺氢输送技术适应性50
3.2　典型空间掺氢天然气泄漏扩散规律59
3.2.1　天然气掺氢对各类场所燃气泄漏扩散浓度分布的影响59
3.2.2　掺氢天然气泄漏扩散的影响因素分析65
3.3　掺氢天然气管网泄漏监测检测技术72
3.3.1　掺氢天然气管网泄漏检测装置72
3.3.2　传统天然气泄漏检测装置75
3.3.3　掺氢天然气泄漏处理措施79
第 4 章　 掺氢天然气终端应用技术80
4.1　掺氢天然气燃烧理论与数值模拟80
4.1.1　掺氢天然气燃烧理论80
4.1.2　燃烧器的数值模拟82
4.2　既有天然气器具燃用掺氢天然气的适应性研究88
4.2.1　民用燃气灶掺氢适应评价89
4.2.2　工业终端用户用气设备现状92
4.2.3　工业终端用户用气设备掺氢适应评价93
4.2.4　既有天然气器具燃用掺氢天然气的适应性评价102
4.3　天然气器具掺氢运行的适应性提升方法103
4.3.1　民用燃气灶103
4.3.2　工业燃烧器105
第 5 章　 含掺氢天然气综合能源系统能量管理技术109
5.1　含掺氢天然气综合能源系统优化设计109
5.1.1　含掺氢天然气综合能源系统模型构建110
5.1.2　含掺氢天然气综合能源系统协同规划设计117
5.2　含掺氢天然气综合能源系统优化运行技术125
5.2.1　含掺氢天然气综合能源系统氢-电-热负荷预测125
5.2.2　含掺氢天然气综合能源系统协同优化运行130
第6章　 掺氢天然气的安全、环境与经济132
6.1　掺氢天然气的安全性影响132
6.1.1　受限空间掺氢天然气泄漏扩散特性135
6.1.2　掺氢天然气火灾危险性分析135
6.1.3　掺氢天然气燃爆风险与受限空间耦合效应136
6.1.4　安全防控与应急技术体系构建136
6.1.5　研究结论与展望137
6.2　掺氢天然气的环境影响138
6.2.1　碳减排效益的路径冲突与技术进步140
6.2.2　氢逃逸的气候放大效应与泄漏控制140
6.2.3　生态系统扰动与材料相容性风险141
6.2.4　多目标协同优化与政策规制141
6.3　掺氢天然气的经济可行性 142
6.3.1　长输管网掺氢经济可行性分析142
6.3.2　城燃管网掺氢经济可行性分析147
6.3.3　点供用户掺氢经济可行性分析152
6.3.4　小结156
第7章　 掺氢天然气的技术挑战与未来展望158
7.1　掺氢天然气的技术挑战158
7.1.1　天然气管道掺氢输送的挑战159
7.1.2　天然气掺氢混合控制挑战161
7.1.3　天然气掺氢泄漏安全挑战162
7.2　掺氢天然气的未来展望164
7.2.1　天然气掺氢的应用场景164
7.2.2　发展掺氢天然气的意义165
7.2.3　掺混、运输及用户展望170
附?录　 常用缩写词173
参考文献　174

为什么要写这本书
山东潍坊是一座典型的北方工业城市，从2003年中石化天然气管道淄青线运行至2022年，天然气行业正好经历了蓬勃发展的20年。这20年间，全市的天然气管网里程、终端用户规模和天然气供气量等关键指标，均实现了10~20倍的增长，经历了一个天然气行业发展的黄金年代。然而自2022年以来，受国内房地产市场发展放缓、北方农村煤改气提前透支发展红利、上游气源无法保障下游居民用气指标、冬季调峰气源价格与终端售气价格倒挂、工商业终端用户用气量下滑、企业应收账款难以兑现等诸多不利因素叠加，城镇天然气行业的发展走完了高速扩张的历史时期，进入了一个新的发展阶段。其实，这不是笔者所在城市的个别现象，而是我国几乎整个城镇燃气行业都面临的困境，规模较大的城镇燃气经营企业目前尚能保持微利运营，一些中小规模的燃气企业已经开始出现经营亏损，特别是北方地区一些起步较晚的燃气企业，由于自身经营区域内没有优质的工商业用户，加之农村煤改气用户占比偏大，目前已经开始出现较大经营亏损。下一步，随着国家继续推进终端售气价格改革，进一步清理各类不规范收费，城镇燃气经营企业可能会面临一个较长的阵痛期。如何寻找新的市场机遇，发现行业新的增长点，继续保持城镇燃气行业健康发展，是摆在广大城镇燃气行业从业者面前的首要问题。
2019年，我国氢燃料电池产业开始发力，通过政策扶持，加上产品的快速迭代，到2021年氢燃料电池行业迎来了一个爆发期，上游制氢工厂大规模开工建设，中游燃料电池制造商、设备及零部件供应商忙着筹备上市，下游加氢站遍地开花，以公交车为代表的氢燃料电池车辆开始穿梭于多个城市的主次干道。然而，如同城镇燃气行业一样，进入2022年后，这种景象似乎也戛然而止。究其原因，可能有很多，但不可否认的一点是，公交车辆氢能化的繁荣表象背后，靠的是地方财政的大力支持，在产业还没有像电动汽车那样真正做大做强之前，离开了财政支持，又没有能够持续盈利的商业模式，任何一个新兴的行业都要面临严峻的市场考验。于是我们看到，2022年以后氢能行业发展方向快速转向电解水制氢储能领域，新上线的氢燃料电池车辆不再呈现井喷态势，交通领域的用氢需求开始萎缩，导致大量已经投产、即将投产的制氢项目无法达产，然而新的可再生能源电解制氢项目却仍在不断地涌入市场。
在这种背景下，科技部与山东省政府联合部署实施了“氢进万家”科技示范工程，并在山东省通过十四五“氢能技术”重点专项的方式，支持多个国家重点研发计划项目来探索综合性的氢能社会化应用示范，希望打通氢能上下游产业协同发展通道，推动氢能在社会各领域的推广应用。笔者有幸参与相关项目，在组织实施相关科技示范工程期间，项目团队围绕城镇燃气、氢能产业发展如何相互促进进行了多次交流和研讨，结合自身城镇燃气行业的从业经历，遂产生了要写一本天然气与氢气行业相结合的书籍的想法。恰逢近年来，在能源转型与“双碳”目标的双重驱动下，氢能作为人类当前可预见的、唯一能够快速实现大规模商业化利用的低碳、清洁能源，其自身行业发展遇到的瓶颈恰好与城镇燃气行业发展遇到困难在多个环节产生了互补，这些互补或许将使氢能和城镇燃气两个行业迎来一个前所未有的发展机遇。
氢气行业当前的痛点主要有3个：一是小规模制氢成本高，大规模制氢下游无法消纳；二是运输成本高，不利于资源调配；三是使用成本高，跟电力无法竞争。现有成熟的城镇燃气供应系统加上庞大的消费基数，可以大量消纳上游氢气富余产能，且无须再建设氢气调峰和储存设施，可以有效实现氢能的梯级利用；利用城镇燃气供应网络输氢，可以将车载输氢的成本降低80%，再次降低终端的用氢成本；将氢气输送给天然气用户使用，通常是利用氢气的燃烧特性，在用户成本核算上又自然而然地避开了与电力资源竞争的局面。在此背景下，天然气掺氢应用技术成为当前氢能和城镇燃气行业发展的突破口—在确保安全的前提下，通过将氢气按比例掺入现有天然气管网，既能高效利用氢能的低碳属性，降低终端污染物排放，又能大幅降低氢能使用成本，加快氢能在社会各领域的大规模推广应用，还能有效调节天然气热值保持稳定，缓解冬季供气缺口压力。我们认为，天然气掺氢技术将成为连接传统能源与未来氢能社会的关键桥梁。
说到天然气掺氢技术，对城镇燃气行业从业者来说，并不是新鲜事，20世纪八九十年代的管道人工煤气主要成分就是甲烷和氢气。以笔者所在的城市为例，80年代设立煤气总公司时，使用的就是焦化厂的焦炉气，甲烷含量约50%，氢气含量45%以上，现在香港的城市燃气中氢气含量也接近50%。我们现在之所以还要研究天然气掺氢技术，是因为现在我国大多数城市已经淘汰了含有一氧化碳的人工煤气，换成了不含一氧化碳的天然气，用户使用的各类燃烧器具也更换成了天然气器具，这样就造成了两大方面的困惑：一是现有的终端用气设备都是按照天然气设计的，再掺入氢气后会不会产生热效率的问题；二是原有的人工煤气都含有一定的水分，即所谓湿气，加上煤气中的杂质，对供气系统中微小的漏点有自然封堵的作用，而现在的天然气是干气，加入分子更小的氢气会不会出现安全方面的问题。这些是当前研究最为紧要的问题。
在“氢进万家”科技示范工程支持下，通过项目团队的共同努力，本书回答了当前行业发展面临的一些共同问题：一是完整梳理天然气输气技术，当前，国内外关于掺氢天然气的研究文章虽多，但系统性整合“制氢—掺氢—输氢—用氢”全链条技术的专著较少。本书基于作者项目团队在天然气掺氢领域的科研成果与工程实践，首次全面梳理了从基础理论到工程应用的关键技术，旨在为行业提供一本兼具学术深度和实践经验的参考书。二是响应国家战略需求，我国已明确将氢能纳入能源体系，“双碳”目标对发展氢能也提出了更加紧迫的需求，国家和山东省投入了大量人力物力财力开展了“氢进万家”示范工程，内蒙古、河北和深圳等不同地市也在开展天然气掺氢示范工程。本书结合我国政策导向与典型案例，为政府、企业及科研机构提供科学理论的数据支持与技术落地的工程实践。三是破解行业痛点，掺氢技术的推广仍面临不少的争议，比如经济性存疑、标准规范缺失、安全性有待验证等问题。本书通过翔实的数据分析，直击行业核心痛点，提出了多项可操作、可复制、可推广的实际解决方案。
通过阅读本书，读者将理解如何在保障安全的前提下，充分利用本地氢气资源稳定天然气热值，利用现有完善的天然气供应系统扩大氢气在社会各领域的推广应用，从而为氢能产业规模化发展提供切实可行的技术路线与管理思路。
能源转型是一场长跑，而掺氢天然气技术正成为这场变革中的重要“接力棒”。本书愿为行业同仁提供一盏路灯，照亮从实验室到产业化之路的每一个关键节点。期待读者通过本书，不仅获得技术层面的提升，更能激发对未来能源发展的思考和创新。
读者对象
探索氢能利用及掺氢天然气技术路线的工程师、研究人员和管理者。
燃气管道及能源装备产业链的规划者与决策者。
关注氢能政策法规制定及城市燃气安全管理的从业人员。
相关专业的大中专院校学生与教师。
对低碳经济和氢能产业发展感兴趣的读者。
希望了解复杂能源系统开发与应用的读者。
本书特色
本书以掺氢天然气系统的开发与应用为主线，系统串联了掺氢天然气在制备、输配、储存、终端应用等各环节的关键技术与工程实践，深入解析其在“双碳”目标背景下对天然气行业转型升级的深层意义，揭示掺氢天然气在能源结构变革中的核心作用与技术挑战。
本书从系统工程的视角出发，讲解掺氢天然气混输的技术原理、安全评估、材料适配、管网改造、标准规范等内容，涵盖从氢气掺入比例控制到下游终端适应性改造的全过程，所介绍的方法和思路不仅适用于当前天然气系统的升级改造，也具有推广至多能互补系统集成与新型储能场景的广泛适应性。
这也是一本关于如何科学推动掺氢天然气工程落地与产业协同的管理指导书。通过本书，读者不仅可以深入理解掺氢天然气系统的技术逻辑，还能从中获得跨学科协同、产业链协作与政策制定等方面的实操参考，提升对能源系统复杂性与工程实施路径系统性的认知。
本书内容涵盖掺氢天然气的发展背景、关键技术路线、应用案例、风险控制、标准体系、国内外发展趋势与典型示范工程等内容，兼顾政策引导与工程落地，理论与实践结合紧密。
本书不仅为城镇燃气企业、能源企业如何应对氢能与天然气深度融合提供方法参考，也为相关装备制造商、管网运营商、燃气终端、政策制定者及研究机构提供了实践指导与战略视野。
如何阅读本书
本书共7章。
第1章作为基础部分，系统介绍了掺氢天然气的技术背景与发展历程，梳理国内外研究与应用现状，阐述了其物理化学性质与燃烧特性，并对相关标准法规体系进行解析，为后续章节打下理论基础。
第2章聚焦氢气的制备与天然气的混合掺氢技术，涵盖氢气的制储输用关键环节，并详细介绍了掺氢设备与系统的关键组成，明确了从单一气源到复合气体混输的技术逻辑。
第3章围绕掺氢天然气管网输送技术展开，重点分析了现有天然气输配系统面临的适应性问题，结合典型场景开展泄漏扩散规律的模拟研究，揭示关键影响因素，并提出相应的检测优化策略。
第4章着眼于掺氢天然气的终端应用，从理论燃烧特性出发，运用数值模拟方法，深入探讨其在民用与工业燃具中的适应性问题，提出提升现有设备兼容性的技术路径和优化方案。
第5章进一步扩展至多能协同领域，介绍掺氢天然气在综合能源系统中的能量管理方法，通过构建多类能源设备模型，实现系统的协同规划与优化运行，提升整体运行的经济性、低碳性与稳定性。
第6章从安全、环境与经济维度出发，定量评估不同掺氢比例下的风险水平、减碳效益与成本收益，构建一套理论支撑体系，服务于掺氢天然气在实际工程场景中的可行性分析与推广决策。
第7章总结当前掺氢天然气的技术挑战与发展瓶颈，梳理主要应用场景与典型路径，展望其在能源结构转型、“双碳”目标推进背景下的战略意义与未来发展趋势。
本书各章节按照技术链条逻辑顺序编排，环环相扣、层层递进，建议读者按照章节顺序通读，尤其是第1章与第2章对核心概念与基础技术进行了系统阐述，是理解全书内容的重要前提。本书以理论支撑为核心、工程实践为引导，兼具科学性、系统性与实用性，是理解掺氢天然气全链条技术体系的重要参考资料。
关于勘误
由于作者水平有限，书中难免会出现一些错误或者不准确的地方，恳请读者批评指正。如果您对本书的内容和章节安排等有更多的宝贵意见，或者能够对书中存在的错误及不当之处提出批评和修改建议，请联系“机工小编”，以便本书再版修订时参考。期望能够得到您的真挚反馈。
致谢
在本书编写过程中，重庆大学黄小美教授参与了内容筹划，提出了诸多具有建设性的意见和建议，为本书内容的优化和提升提供了重要参考，在此对其表示感谢。同时，还要感谢潍坊港华燃气有限公司王锦志、潍坊高新华润燃气有限公司张国红等，他们在本书编写过程中给予了宝贵的指导与支持，在工程实践、技术路线、经济核算、发展思路等方面提供了深刻的见解和宝贵丰富的经验，为本书结构的完善与逻辑体系的构建发挥了积极作用。

徐海东
2025年4月