天然气掺氢：节能减排和氢能运输两手抓

日期：2023-04-12 来源：联悦气体

2023

04/12

13:45

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氢气因其无碳化、可再生的属性，将在未来的能源应用领域内，具有先天优势和广阔的运用前景。然而，氢能输送效率是现阶段制约氢能产业发展的瓶颈环。专家提出，利用现有国内已建成的天然气管网，掺入一定比例的氢气输送。“天然气掺氢”概念由此提出，被认为是实现节能减排和规模氢能运输的重要手段。

基本概念

天然气，是一种烃类和非烃类气体的混合物，是我们常见的化石燃料和化工原料，其主要成分就是甲烷。

氢气，是一种由氢元素组成的单质气体，是二次能源，需要进行生产加工才能得到，目前主要通过化石能源和工业尾气制氢。

天然气掺氢，是指将一定比例的氢气注入到天然气中，形成的一种混合气体（HCNG），通过天然气管道将掺氢的天然气输送至终端用户，随后直接利用、或者将氢气提纯后分别单独使用。

氢气与天然气（甲烷）性质对比表

天然气与氢气的物理化学性质不同，因此，掺氢天然气和常规天然气的物性、燃爆特性都存在一定差异，具体差异大小取决于掺氢比。通过调配不同的掺氢比例，可以优化天然气的燃烧特性。

现实意义

对天然气产业而言，掺氢天然气能够利用氢气替代一部分天然气消费，若按掺氢比10%~20%测算，预计每年可替代100亿~200亿m3天然气，一定程度上缓解天然气的供应紧张问题。更为重要的是，掺氢天然气相比纯天然气，是一种更清洁低碳燃料，能降低终端用能的碳排放水平。清华大学汽车安全与节能国家重点实验室马凡华表示，假如在天然气当中掺入20%体积比的氢气，燃烧后氮氧化物、一氧化碳、未燃碳氢都可降低50%以上。

天然气掺氢技术路线图

对氢能产业而言，在天然气管道掺入氢气运输，短期有助于突破氢气运输瓶颈。上期讲到管道输氢，能实现氢能的远距离、大规模、低能耗运输。与不足300km的纯氢管道相比，我国天然气管网总里程约为1.1×105km，这为发展天然气掺氢运输提供了坚实的基础。另一方面，天然气掺氢，可以扩大氢气的应用领域和规模，若按掺氢比10%~20%测算，预计2030年有270万~630万吨氢气掺入天然气管网。

掺氢工艺

目前较为常用的天然气掺氢工艺，主要有定压配比系统和在线混合系统两种。

定压配比系统，是指利用在密闭容器中两种气体的混合体积比是气体分压比的原理进行混合配比。通过天然气瓶组和氢气瓶组向固定容积的气瓶充气，测量每次充气的压力，得到所需体积掺氢比。适合要求配比精度低、用量小的试验场所。

掺氢天然气管道

在线混合系统，是随着用气端工况变化，及时准确地提供给定掺氢比的混合气。天然气的流量受用气端控制，并通过精度较高的质量流量计计量管道中天然气的流量，根据测量结果按照所需的掺氢比计算得到氢气流量，然后通过质量流量控制仪或比例调节阀控制氢气的流量，最后通过稳压罐进行混合，从而达到所需掺氢比。此方法配比精度较高。

掺氢比例

天然气掺氢后将对天然气管网基础设施及终端用能设备产生一定的影响，根据氢气含量不同，对产业链不同环节、不同设备产生的影响也存在差异。研究表明，低比例的氢气（20%体积比以内）加入天然气管网系统中并不会明显增加相关事故风险及危害，对系统进行轻微改造的情况下最高可以允许50%体积比氢气加入天然气管网系统。

各国天然气掺氢比上限要求

由于受多个因素制约，国际上对于天然气管道系统中可掺氢比例尚无统一确定的标准。目前各国对天然气的掺氢比例上限的规定不尽相同，总体上掺氢比例上限在10%以内。我国在《进入天然气长输管道的气体质量要求》提出，仅允许不超过3%的氢气进入天然气管道。

发展现状

进入21世纪以来，国内外对天然气掺氢开展了相应的研究和示范工作，据国际能源机构数据，全球开展了近40个掺氢天然气管道输送系统应用示范项目。欧洲国家率先开始进行天然气掺氢的研究和示范项目，例如欧盟Natural Hydrogen项目、荷兰Sustainable Ameland项目、德国DVG项目、法国GRHYD项目、英国Hydeploy项目和H21Leeds CityGate项目等。其中，部分示范项目中的最高掺氢比例已达到20%。