國(guó)內(nèi)天然氣管道摻氫技術(shù)分析與發(fā)展

國(guó)內(nèi)天然氣管道摻氫技術(shù)分析與發(fā)展摘要：氫能是推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展的理想互聯(lián)媒介。作為清潔燃料，是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸、傳統(tǒng)工業(yè)和建筑等領(lǐng)域大規(guī)模深度脫碳的終極能源。氫可廣泛用于發(fā)熱和發(fā)電等領(lǐng)域，使用過程具有“零碳排放”的優(yōu)勢(shì)。氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本過高仍然是行業(yè)的痛點(diǎn)，因此將氫氣摻入天然氣中將是解決大規(guī)模、長(zhǎng)距離氫氣輸送的一個(gè)良好的方法。目前世界許多國(guó)家已經(jīng)逐步開展天然氣管網(wǎng)摻氫項(xiàng)目。關(guān)鍵詞：天然氣管道摻氫技術(shù)；二氧化碳排放；燃料電池；加氫站引言天然氣和氫氣在物理性質(zhì)上具有一定的相似性，其壓縮、儲(chǔ)存、管輸、燃燒等基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)氫氣均有共性，這為開展天然氣摻氫輸送奠定了良好的基礎(chǔ)，氫氣按一定比例注入天然氣管網(wǎng)，摻氫天然氣可直接輸送給工廠、居民和商業(yè)用戶使用，或者經(jīng)過分離提純后供應(yīng)至工廠、加氫站等。1天然氣摻氫技術(shù)現(xiàn)狀（1）管道設(shè)施對(duì)氫氣的適應(yīng)性分析輸氣管道及配套基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)氫氣的適應(yīng)性是決定能否摻氫和摻氫比例的重要因素。受氣體性質(zhì)差異、管道材質(zhì)特性、摻氫比和外部環(huán)境等影響，氫氣摻入天然氣管道后容易產(chǎn)生氫脆、滲透和泄漏等風(fēng)險(xiǎn)。管道鋼級(jí)越高越容易受氫氣影響，管道鋼X80、X70比X60更易發(fā)生氫致開裂。氫氣壓力、純度、環(huán)境溫度、管道強(qiáng)度水平、變形速率、微觀組織等因素均會(huì)影響氫氣對(duì)管道的損傷程度，低強(qiáng)度鋼，更適合加氫天然氣的輸送。摻氫濃度越高，管道越容易發(fā)生嚴(yán)重?cái)嗔眩还茌攭毫υ礁?，管道越容易在缺陷處發(fā)生氫致裂紋擴(kuò)展；管道鋼等級(jí)越高、服役年限越長(zhǎng)，氫脆敏感性越大，承受氫氣摻混量越小。現(xiàn)在管道摻氫的相容性研究主要集中在天然氣長(zhǎng)輸管道。國(guó)內(nèi)天然氣主干管道的末端一般為城市天然氣門站，門站后的天然氣管網(wǎng)即為城市天然氣管網(wǎng)，城市管網(wǎng)的天然氣輸氣壓力一般低于4MPa，由于摻氫體積比較低(≤10%)，氫氣的分壓也低(＜1MPa)，在此壓力下基本不會(huì)產(chǎn)生氫脆等問題，但天然氣摻氫對(duì)管道的實(shí)際影響有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。目前，從歐美國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)來看，摻氫體積比基本維持在20%及以下，同時(shí)在較低的摻氫比和較低的氫氣分壓下，管道的氫脆基本可以忽略。（2）終端氫氣分離技術(shù)輸送至終端的混氫天然氣可將其中的氫氣分離后使用，但是整體經(jīng)濟(jì)性有待提升。目前常用的氫氣分離方法有吸附、氣體離心機(jī)、膜分離、變壓吸附和電化學(xué)氫分離等5種方法，其中，變壓吸附和膜分離是應(yīng)用最為廣泛的兩種方法，國(guó)內(nèi)摻氫輸送技術(shù)尚處于起步階段和氫氣分離成本較高等因素影響，目前尚無摻氫輸送后再分離使用的示范項(xiàng)目。（3）摻氫燃燒技術(shù)由天然氣管道摻氫輸送至終端的摻氫天然氣可直接供應(yīng)終端用戶使用，涉及的問題主要有燃?xì)饩哌m用性、氣體熱值降低等。家用燃?xì)饩邔?duì)摻入一定比例氫氣的燃?xì)饩哂休^好的適應(yīng)性。國(guó)內(nèi)居民使用的燃?xì)饩呤且?2T基準(zhǔn)氣為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，摻氫燃燒時(shí)燃?xì)饩叩娜紵r將發(fā)生變化，進(jìn)而影響燃燒性能。摻氫后燃?xì)鉄嶂到档停瑲錃怏w積熱值（13MJ/m3）約是天然氣（38MJ/m3）的1/3，隨著混氫比增加，燃料熱值下降。當(dāng)混氫比小于27%時(shí)，混合氣體符合二、三類天然氣的熱值標(biāo)準(zhǔn)（熱值大于等于31.4MJ/m3）。目前國(guó)內(nèi)的城市燃?xì)庖泽w積進(jìn)行計(jì)量，工業(yè)副產(chǎn)氫的價(jià)格（0.9～1.45元/m3）低于等體積天然氣門站的價(jià)格（1.8～3元/m3），若直接將工業(yè)副產(chǎn)氫摻混輸送至城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，具備一定的經(jīng)濟(jì)性。未來隨著國(guó)家油氣管網(wǎng)設(shè)施的開放和天然氣熱值計(jì)量條件的日益完善，熱值計(jì)量勢(shì)在必行，而氫氣的體積熱值約為天然氣的1/3，當(dāng)氫氣價(jià)格降低至0.6～1元/m3時(shí)，氫氣摻入燃?xì)夤芫W(wǎng)具備商業(yè)價(jià)值。（4）氫安全分析活潑的氫氣摻入天然氣，增加了氫脆、氫氣滲透和對(duì)燃?xì)獗砑叭季吒g的風(fēng)險(xiǎn)。摻氫天然氣泄漏在本質(zhì)上與天然氣的泄漏類似。摻氫會(huì)增大氣體的泄漏速率，摻氫比例小于50%時(shí)氣體積聚濃度會(huì)略微升高，但是當(dāng)摻氫比例大于50%時(shí)氣體積聚濃度會(huì)顯著增加。氫的摻入會(huì)使輸送的混合氣體點(diǎn)火能量降低、泄漏速率加快、可燃范圍增大，隨著摻氫比例的增加，泄漏、燃爆的危險(xiǎn)相應(yīng)增加。天然氣摻氫后可能引起泄漏速率加快、可燃范圍增大和燃燒速率加快等問題，面對(duì)更高的泄漏、燃燒和爆炸等危險(xiǎn)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)氫安全機(jī)理、燃爆模型建立等研究尚處于起步階段，仍面臨安全隱患不明晰、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺乏、行政審批難、終端用戶設(shè)備適用性待考等難題。2國(guó)內(nèi)天然氣摻氫發(fā)展前景全球可再生能源的迅猛發(fā)展和電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的興起，一定程度上提高了市場(chǎng)對(duì)于氫能產(chǎn)業(yè)的信心和預(yù)期，中國(guó)對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的重視程度也逐步提升。2019年氫能首次寫入《政府工作報(bào)告》。2020年9月21日，財(cái)政部等五部委發(fā)布了《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》，采取“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”方式對(duì)燃料電池汽車示范應(yīng)用給予支持政策。2021年2月1日，科技部發(fā)布了關(guān)于“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)，計(jì)劃到2025年實(shí)現(xiàn)中國(guó)氫能技術(shù)研發(fā)水平進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列。與重新修建純氫管道相比，天然氣管道摻氫具有經(jīng)濟(jì)可行性高、投資成本低、接觸終端客戶多、未來商業(yè)化推廣相對(duì)容易等特點(diǎn)。未來，隨著摻氫混輸和摻氫分離技術(shù)的成熟、可再生能源快速發(fā)展、東部等發(fā)達(dá)地區(qū)氫氣需求增長(zhǎng)，利用西北地區(qū)廉價(jià)的電力資源制取氫氣，摻入天然氣管道，有望實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模輸送，有助于解決中國(guó)能源地域分布不均等問題，促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模快速發(fā)展。目前，我國(guó)天然氣管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框架已基本形成。從消費(fèi)端來看，2021年，我國(guó)天然氣年消費(fèi)量已達(dá)到3542億立方米，占2021年全球需求量約8.5%，其中，90%天然氣以燃燒的方式應(yīng)用于城燃、發(fā)電以及工業(yè)能源。據(jù)國(guó)家發(fā)改委能源研究所數(shù)據(jù)，在《巴黎協(xié)定》提出將全球平均氣溫升幅控制在2攝氏度以內(nèi)的目標(biāo)下，我國(guó)天然氣消費(fèi)量將于2040年達(dá)到峰值，約5800～6000億立方米，假設(shè)天然氣摻氫比例達(dá)到20%水平，預(yù)計(jì)到2040年可貢獻(xiàn)約800～900萬噸的氫氣需求。3國(guó)內(nèi)天然氣摻氫發(fā)展現(xiàn)狀2019年4月，國(guó)家電投集團(tuán)在朝陽燕山湖發(fā)電公司開展摻氫示范項(xiàng)目建設(shè)，8月23日，朝陽摻氫示范項(xiàng)目第一階段工程破土動(dòng)工，該工程利用燕山湖發(fā)電公司現(xiàn)有10Nm3/h堿液電解制氫站新建氫氣充裝系統(tǒng)，氫氣經(jīng)壓縮瓶?jī)?chǔ)后通過長(zhǎng)管拖車運(yùn)至摻氫地點(diǎn)，廠外在朝陽朝花藥業(yè)公司建設(shè)天然氣摻氫設(shè)施，實(shí)現(xiàn)天然氣摻氫示范。目前示范項(xiàng)目已運(yùn)行一年半，摻氫比例已達(dá)到10%（體積分?jǐn)?shù)）。示范項(xiàng)目的運(yùn)行使本規(guī)范得到了初步的驗(yàn)證，對(duì)天然氣摻氫領(lǐng)域的發(fā)展具有指導(dǎo)意義。2021年8月31日，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)下發(fā)了關(guān)于公開征求《天然氣摻氫混氣站技術(shù)規(guī)程》意見的通知，針對(duì)儲(chǔ)氫總?cè)萘坎淮笥?000kg的、摻氫比例不超過20%（體積分?jǐn)?shù)）、摻氫天然氣壓力不超過4MPa的天然氣摻氫混氣站建設(shè)和運(yùn)行進(jìn)行具體規(guī)定。提出的技術(shù)和要求充分考慮了城鎮(zhèn)燃?xì)夂蜌錃庑袠I(yè)常用的工藝設(shè)施，具有普遍適用性。結(jié)束語天然氣摻氫具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，并可以降低碳排放，但面臨摻混輸送的安全性和可靠性研究不足，原有管道建設(shè)、改造、設(shè)計(jì)、施工及管道運(yùn)營(yíng)的安全規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺乏對(duì)天然氣摻氫項(xiàng)目建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的指導(dǎo)。為促進(jìn)在摻氫這一領(lǐng)域的發(fā)展，建議在保障管道設(shè)備設(shè)施安全的基礎(chǔ)上，在特定城市的天然氣管道網(wǎng)絡(luò)中開展摻氫天然氣和管道適應(yīng)性研究，積累相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，形成天然氣摻氫的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，針對(duì)不同材質(zhì)和不同年限的天然氣管道，建立不同的天然氣摻氫可行性的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估方法。參考文獻(xiàn)[1]任若軒,游雙矯,朱新宇,岳小文,姜振超.天然氣摻氫輸送技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].油氣與新能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