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氫氣因其無(wú)碳化、可再生的屬性，將在未來(lái)的能源應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，具有先天優(yōu)勢(shì)和廣闊的運(yùn)用前景。然而，氫能輸送效率是現(xiàn)階段制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸環(huán)。 專(zhuān)家提出，利用現(xiàn)有國(guó)內(nèi)已建成的天然氣管網(wǎng)，摻入一定比例的氫氣輸送。“天然氣摻氫”概念由此提出，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和規(guī)模氫能運(yùn)輸?shù)闹匾侄巍?br />
基本概念

天然氣，是一種烴類(lèi)和非烴類(lèi)氣體的混合物，是我們常見(jiàn)的化石燃料和化工原料，其主要成分就是甲烷。

氫氣，是一種由氫元素組成的單質(zhì)氣體，是二次能源，需要進(jìn)行生產(chǎn)加工才能得到，目前主要通過(guò)化石能源和工業(yè)尾氣制氫。

天然氣摻氫，是指將一定比例的氫氣注入到天然氣中，形成的一種混合氣體（HCNG），通過(guò)天然氣管道將摻氫的天然氣輸送至終端用戶(hù)，隨后直接利用、或者將氫氣提純后分別單獨(dú)使用。

天然氣與氫氣的物理化學(xué)性質(zhì)不同，因此，摻氫天然氣和常規(guī)天然氣的物性、燃爆特性都存在一定差異，具體差異大小取決于摻氫比。通過(guò)調(diào)配不同的摻氫比例，可以?xún)?yōu)化天然氣的燃燒特性。

現(xiàn)實(shí)意義

對(duì)天然氣產(chǎn)業(yè)而言，摻氫天然氣能夠利用氫氣替代一部分天然氣消費(fèi)，若按摻氫比10%~20%測(cè)算，預(yù)計(jì)每年可替代100億~200億m3天然氣，一定程度上緩解天然氣的供應(yīng)緊張問(wèn)題。更為重要的是，摻氫天然氣相比純天然氣，是一種更清潔低碳燃料，能降低終端用能的碳排放水平。清華大學(xué)汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬凡華表示，假如在天然氣當(dāng)中摻入20%體積比的氫氣，燃燒后氮氧化物、一氧化碳、未燃碳?xì)涠伎山档?0%以上。

對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)而言，在天然氣管道摻入氫氣運(yùn)輸，短期有助于突破氫氣運(yùn)輸瓶頸。上期講到管道輸氫，能實(shí)現(xiàn)氫能的遠(yuǎn)距離、大規(guī)模、低能耗運(yùn)輸。與不足300km的純氫管道相比，我國(guó)天然氣管網(wǎng)總里程約為1.1×105km，這為發(fā)展天然氣摻氫運(yùn)輸提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。另一方面，天然氣摻氫，可以擴(kuò)大氫氣的應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模，若按摻氫比10%~20%測(cè)算，預(yù)計(jì)2030年有270萬(wàn)~630萬(wàn)噸氫氣摻入天然氣管網(wǎng)。

摻氫工藝

目前較為常用的天然氣摻氫工藝，主要有定壓配比系統(tǒng)和在線混合系統(tǒng)兩種。

定壓配比系統(tǒng)，是指利用在密閉容器中兩種氣體的混合體積比是氣體分壓比的原理進(jìn)行混合配比。通過(guò)天然氣瓶組和氫氣瓶組向固定容積的氣瓶充氣，測(cè)量每次充氣的壓力，得到所需體積摻氫比。適合要求配比精度低、用量小的試驗(yàn)場(chǎng)所。

摻氫天然氣管道

在線混合系統(tǒng)，是隨著用氣端工況變化，及時(shí)準(zhǔn)確地提供給定摻氫比的混合氣。天然氣的流量受用氣端控制，并通過(guò)精度較高的質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量管道中天然氣的流量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果按照所需的摻氫比計(jì)算得到氫氣流量，然后通過(guò)質(zhì)量流量控制儀或比例調(diào)節(jié)閥控制氫氣的流量，最后通過(guò)穩(wěn)壓罐進(jìn)行混合，從而達(dá)到所需摻氫比。此方法配比精度較高。

摻氫比例

天然氣摻氫后將對(duì)天然氣管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施及終端用能設(shè)備產(chǎn)生一定的影響，根據(jù)氫氣含量不同，對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈不同環(huán)節(jié)、不同設(shè)備產(chǎn)生的影響也存在差異。研究表明，低比例的氫氣（20%體積比以?xún)?nèi)）加入天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中并不會(huì)明顯增加相關(guān)事故風(fēng)險(xiǎn)及危害，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行輕微改造的情況下最高可以允許50%體積比氫氣加入天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)。

由于受多個(gè)因素制約，國(guó)際上對(duì)于天然氣管道系統(tǒng)中可摻氫比例尚無(wú)統(tǒng)一確定的標(biāo)準(zhǔn)。目前各國(guó)對(duì)天然氣的摻氫比例上限的規(guī)定不盡相同，總體上摻氫比例上限在10%以?xún)?nèi)。我國(guó)在《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》提出，僅允許不超過(guò)3%的氫氣進(jìn)入天然氣管道。

發(fā)展現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)天然氣摻氫開(kāi)展了相應(yīng)的研究和示范工作，據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)，全球開(kāi)展了近40個(gè)摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)應(yīng)用示范項(xiàng)目。歐洲國(guó)家率先開(kāi)始進(jìn)行天然氣摻氫的研究和示范項(xiàng)目，例如歐盟Natural Hydrogen項(xiàng)目、荷蘭Sustainable Ameland項(xiàng)目、德國(guó)DVG項(xiàng)目、法國(guó)GRHYD項(xiàng)目、英國(guó)Hydeploy項(xiàng)目和H21Leeds CityGate項(xiàng)目等。其中，部分示范項(xiàng)目中的最高摻氫比例已達(dá)到20%。

與領(lǐng)域先行國(guó)家相比，我國(guó)天然氣摻氫產(chǎn)業(yè)起步較晚，缺乏全面的技術(shù)體系和成熟的工程實(shí)踐。目前初步建成示范項(xiàng)目有3個(gè)：遼寧朝陽(yáng)天然氣摻氫示范項(xiàng)目，摻氫比例為10%，實(shí)現(xiàn)了制氫、儲(chǔ)運(yùn)、摻混、利用全鏈條驗(yàn)證；山西晉城天然氣摻氫示范項(xiàng)目、河北張家口天然氣摻氫入戶(hù)項(xiàng)目。其他在建或規(guī)劃的示范性項(xiàng)目還有12個(gè)。

未來(lái)潛力

據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，自2013年以來(lái)，全球天然氣摻氫的規(guī)模增長(zhǎng)了7倍，2020年天然氣管道摻氫規(guī)模達(dá)到了約3500噸。目前所有正在推進(jìn)的天然氣摻氫項(xiàng)目都能落地，其規(guī)模將可能增加700多倍，氫氣總摻入量將大于200萬(wàn)噸。

到2030年，若需滿足全球凈零排放的要求，氫氣總摻入量將達(dá)到5300萬(wàn)噸。巨大的需求缺口，表明天然氣摻氫市場(chǎng)前景可觀，發(fā)展?jié)摿薮螅?br />
總 結(jié)

天然氣摻氫，能夠提高氫能在能源中的比例，減少對(duì)傳統(tǒng)化石燃料的依賴(lài)、降低碳排放，還有助于擴(kuò)大氫的需求、降低氫氣長(zhǎng)距離運(yùn)輸成本，并通過(guò)規(guī)模化降低制氫成本。這為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了新的思路，對(duì)氫能在交通、建筑、制造業(yè)和電力等領(lǐng)域的推廣有著重要意義。

原標(biāo)題：天然氣摻氫：節(jié)能減排和氫能運(yùn)輸兩手抓