国内天然气管道掺氢技术分析与发展

国内天然气管道掺氢技术分析与发展摘要：氢能是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介。作为清洁燃料，是实现交通运输、传统工业和建筑等领域大规模深度脱碳的终极能源。氢可广泛用于发热和发电等领域，使用过程具有“零碳排放”的优势。氢气的储存和运输成本过高仍然是行业的痛点，因此将氢气掺入天然气中将是解决大规模、长距离氢气输送的一个良好的方法。目前世界许多国家已经逐步开展天然气管网掺氢项目。关键词：天然气管道掺氢技术；二氧化碳排放；燃料电池；加氢站引言天然气和氢气在物理性质上具有一定的相似性，其压缩、储存、管输、燃烧等基础设施对氢气均有共性，这为开展天然气掺氢输送奠定了良好的基础，氢气按一定比例注入天然气管网，掺氢天然气可直接输送给工厂、居民和商业用户使用，或者经过分离提纯后供应至工厂、加氢站等。1天然气掺氢技术现状（1）管道设施对氢气的适应性分析输气管道及配套基础设施对氢气的适应性是决定能否掺氢和掺氢比例的重要因素。受气体性质差异、管道材质特性、掺氢比和外部环境等影响，氢气掺入天然气管道后容易产生氢脆、渗透和泄漏等风险。管道钢级越高越容易受氢气影响，管道钢X80、X70比X60更易发生氢致开裂。氢气压力、纯度、环境温度、管道强度水平、变形速率、微观组织等因素均会影响氢气对管道的损伤程度，低强度钢，更适合加氢天然气的输送。掺氢浓度越高，管道越容易发生严重断裂；管输压力越高，管道越容易在缺陷处发生氢致裂纹扩展；管道钢等级越高、服役年限越长，氢脆敏感性越大，承受氢气掺混量越小。现在管道掺氢的相容性研究主要集中在天然气长输管道。国内天然气主干管道的末端一般为城市天然气门站，门站后的天然气管网即为城市天然气管网，城市管网的天然气输气压力一般低于4MPa，由于掺氢体积比较低(≤10%)，氢气的分压也低(＜1MPa)，在此压力下基本不会产生氢脆等问题，但天然气掺氢对管道的实际影响有待进一步的验证。目前，从欧美国家的经验来看，掺氢体积比基本维持在20%及以下，同时在较低的掺氢比和较低的氢气分压下，管道的氢脆基本可以忽略。（2）终端氢气分离技术输送至终端的混氢天然气可将其中的氢气分离后使用，但是整体经济性有待提升。目前常用的氢气分离方法有吸附、气体离心机、膜分离、变压吸附和电化学氢分离等5种方法，其中，变压吸附和膜分离是应用最为广泛的两种方法，国内掺氢输送技术尚处于起步阶段和氢气分离成本较高等因素影响，目前尚无掺氢输送后再分离使用的示范项目。（3）掺氢燃烧技术由天然气管道掺氢输送至终端的掺氢天然气可直接供应终端用户使用，涉及的问题主要有燃气具适用性、气体热值降低等。家用燃气具对掺入一定比例氢气的燃气具有较好的适应性。国内居民使用的燃气具是以12T基准气为标准设计的，掺氢燃烧时燃气具的燃烧工况将发生变化，进而影响燃烧性能。掺氢后燃气热值降低，氢气体积热值（13MJ/m3）约是天然气（38MJ/m3）的1/3，随着混氢比增加，燃料热值下降。当混氢比小于27%时，混合气体符合二、三类天然气的热值标准（热值大于等于31.4MJ/m3）。目前国内的城市燃气以体积进行计量，工业副产氢的价格（0.9～1.45元/m3）低于等体积天然气门站的价格（1.8～3元/m3），若直接将工业副产氢掺混输送至城市燃气管网，具备一定的经济性。未来随着国家油气管网设施的开放和天然气热值计量条件的日益完善，热值计量势在必行，而氢气的体积热值约为天然气的1/3，当氢气价格降低至0.6～1元/m3时，氢气掺入燃气管网具备商业价值。（4）氢安全分析活泼的氢气掺入天然气，增加了氢脆、氢气渗透和对燃气表及燃具腐蚀的风险。掺氢天然气泄漏在本质上与天然气的泄漏类似。掺氢会增大气体的泄漏速率，掺氢比例小于50%时气体积聚浓度会略微升高，但是当掺氢比例大于50%时气体积聚浓度会显著增加。氢的掺入会使输送的混合气体点火能量降低、泄漏速率加快、可燃范围增大，随着掺氢比例的增加，泄漏、燃爆的危险相应增加。天然气掺氢后可能引起泄漏速率加快、可燃范围增大和燃烧速率加快等问题，面对更高的泄漏、燃烧和爆炸等危险，目前国内对氢安全机理、燃爆模型建立等研究尚处于起步阶段，仍面临安全隐患不明晰、标准规范缺乏、行政审批难、终端用户设备适用性待考等难题。2国内天然气掺氢发展前景全球可再生能源的迅猛发展和电动汽车产业的兴起，一定程度上提高了市场对于氢能产业的信心和预期，中国对氢能产业的重视程度也逐步提升。2019年氢能首次写入《政府工作报告》。2020年9月21日，财政部等五部委发布了《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，采取“以奖代补”方式对燃料电池汽车示范应用给予支持政策。2021年2月1日，科技部发布了关于“十四五”国家重点研发计划“氢能技术”重点专项，计划到2025年实现中国氢能技术研发水平进入国际先进行列。与重新修建纯氢管道相比，天然气管道掺氢具有经济可行性高、投资成本低、接触终端客户多、未来商业化推广相对容易等特点。未来，随着掺氢混输和掺氢分离技术的成熟、可再生能源快速发展、东部等发达地区氢气需求增长，利用西北地区廉价的电力资源制取氢气，掺入天然气管道，有望实现氢气的大规模输送，有助于解决中国能源地域分布不均等问题，促进氢能产业大规模快速发展。目前，我国天然气管道网络系统框架已基本形成。从消费端来看，2021年，我国天然气年消费量已达到3542亿立方米，占2021年全球需求量约8.5%，其中，90%天然气以燃烧的方式应用于城燃、发电以及工业能源。据国家发改委能源研究所数据，在《巴黎协定》提出将全球平均气温升幅控制在2摄氏度以内的目标下，我国天然气消费量将于2040年达到峰值，约5800～6000亿立方米，假设天然气掺氢比例达到20%水平，预计到2040年可贡献约800～900万吨的氢气需求。3国内天然气掺氢发展现状2019年4月，国家电投集团在朝阳燕山湖发电公司开展掺氢示范项目建设，8月23日，朝阳掺氢示范项目第一阶段工程破土动工，该工程利用燕山湖发电公司现有10Nm3/h碱液电解制氢站新建氢气充装系统，氢气经压缩瓶储后通过长管拖车运至掺氢地点，厂外在朝阳朝花药业公司建设天然气掺氢设施，实现天然气掺氢示范。目前示范项目已运行一年半，掺氢比例已达到10%（体积分数）。示范项目的运行使本规范得到了初步的验证，对天然气掺氢领域的发展具有指导意义。2021年8月31日，中国标准化协会下发了关于公开征求《天然气掺氢混气站技术规程》意见的通知，针对储氢总容量不大于8000kg的、掺氢比例不超过20%（体积分数）、掺氢天然气压力不超过4MPa的天然气掺氢混气站建设和运行进行具体规定。提出的技术和要求充分考虑了城镇燃气和氢气行业常用的工艺设施，具有普遍适用性。结束语天然气掺氢具有一定的经济效益，并可以降低碳排放，但面临掺混输送的安全性和可靠性研究不足，原有管道建设、改造、设计、施工及管道运营的安全规范等标准规范缺乏对天然气掺氢项目建设、运营的指导。为促进在掺氢这一领域的发展，建议在保障管道设备设施安全的基础上，在特定城市的天然气管道网络中开展掺氢天然气和管道适应性研究，积累相关实验数据，形成天然气掺氢的相关标准规范，针对不同材质和不同年限的天然气管道，建立不同的天然气掺氢可行性的评估标准和评估方法。参考文献[1]任若轩,游双矫,朱新宇,岳小文,姜振超.天然气掺氢输送技术发展现状及前景[J].油气与新能源，2021[2]李敬法,苏越,张衡,宇波.掺氢天然气管道输送研