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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，