碳中和背景下天然氣摻氫應用與關鍵技術研究

2022-03-18 07:06:56沈丹丹姚才華劉京京

上海節能 2022年3期

0 前言

相關科學數據表明，工業革命以來人類的大規模活動所造成的CO

排放是影響當前全球氣候變暖的重要因素

。

聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）在《2020年排放差距報告》中指出：“控制碳排放、達成碳中和是控制全球升溫的關鍵。”截至2021年4月，全球已有100多個國家正式通過、宣布或承諾在21世紀中葉左右實現凈零排放目標

。2021 年國務院政府工作報告中指出，扎實做好碳達峰、碳中和各項工作，制定2030年前碳排放達峰行動方案，優化產業結構和能源結構

。氫能因其無碳化、可再生的屬性，將在未來的能源應用領域內具有先天優勢和廣闊的運用前景。

基于我國當前對于氫能運用研究發展現狀，總體來說，氫燃料電池汽車是最受關注的方向，也是建設氫能社會和提高公眾對氫能接受度的著手點

。但天然氣摻氫也應是氫能利用的重要方向之一。天然氣摻氫技術的研究與發展，可對現階段氫氣運輸、氫能的廣泛及規模運用開拓更多的可能性，對于整個氫能產業的發展以及我國能源利用的低碳化、清潔化進程具有推進意義

。

1 天然氣摻氫的應用前景

1.1 摻氫天然氣的基本性質

摻氫天然氣是指將一定比例的氫氣注入到天然氣中與天然氣混合形成的一種混合氣體（HCNG）。

天然氣的主要成分是甲烷，表1

給出了常溫常壓下氫氣和甲烷的主要性質對比。氫氣具有密度小、爆炸區間范圍寬、最小點火能量低、火焰溫度高、擴散系數大等特點。因此，摻氫天然氣和常規天然氣的物性、燃爆特性都存在一定差異，具體差異大小取決于摻氫比。通過調配不同比例的摻氫天然氣，也可優化原單一氣體的燃燒特性。一般地，摻氫天然氣混合物的物性、熱力學狀態參數等均可根據常規天然氣的計算方法進行計算

。

IG戰隊在LPL聯賽當中一路勢如破竹，讓大家看到了他們的勇氣和實力，最終為中國贏下寶貴的冠軍榮耀。這一役，IG戰隊不僅展現出了驚人的實力，更意味著，我們在這一年里所取得的榮譽，并非是虛妄和運氣。

1.2 天然氣摻氫的適用場景

天然氣摻氫相關應用技術在2000 年之后開始被深入研究。IEA數據顯示，截至2019年，全球各國有37個示范項目正在研究天然氣網絡中摻氫

。全球多個國家包括日本、荷蘭、德國、法國、俄羅斯等均有天然氣摻氫的項目案例，研究方向包括對民用、工業的供熱，混合氣體對關鍵設備、材料、終端設備電器的影響等。

在長句的翻譯中，分譯法是最頻繁使用的處理方法。漢語是意合的語言，是由一個個語義完整的小句組成的。為了使譯文更加清晰，經常需要使用分譯的方法。分譯法的核心原則就是將漢語長句根據意思劃分為兩個或者兩個以上的意思層次，再將這些意思層次逐句譯出來7。通過分解原文，原本冗長復雜的句子變成了短小簡單的句子，這樣譯者就會得心應手。

天然氣摻氫燃料通過管網至家用灶具燃燒使用也被認為是改善城鎮燃氣質量與煙氣排放的有效途徑之一。羅子萱

測試與驗證了對于12 T 基準天然氣摻氫比例及混合氣在家用燃氣具上燃燒的安全性能與排放性能。研究結果表明,在低于20%體積分數的摻氫比例下，摻氫天然氣在家用燃氣具中燃燒的點火率、火焰穩定性與煙氣排放性能全部合格而未發現安全性問題，煙氣排放指標滿足標準要求，并且隨著氫氣的體積分數增加，煙氣中CO與NO

排放量有所降低。

氫氣的運輸時連接上游制取、下游運用的關鍵環節，目前根據氫氣的儲存狀態的不同，主要有氣氫儲運、低溫液氫儲運、有機液態儲運和固氫儲運四種方式。

秦鋒等

綜述了氫燃料燃氣輪機技術研究現狀。國內外學者及三菱、通用、西門子、安薩爾多等主要燃機廠商均對摻氫燃料用于燃機開展研究、試驗和示范應用工作（見表2），并已取得一定的技術突破和少量的實際應用經驗，也分析指出燃氫電廠在未來電源結構中將起到重要的儲能調峰作用。

運輸成本是氫能發展的一個重要關注點。圖1可反映氣態和低溫液態儲運成本與距離關系。

在小于270 km 的距離內，管束車是比較經濟的儲運方式，且氫能發展初期，用氣量小，基本可滿足使用需求；當更遠距離運輸，低溫液態相較于車載氣態會有明顯優勢；氣態管道運輸是運輸成本最低的，但管道鋪設難度大，初投資成本高。結合我國當前液態、固態儲氫處于商用不成熟階段或儲存功耗成本高以及目前氫能使用主要為氣態形式這些現狀，在氫氣規模化運用初期，采用天然氣摻氫形式，借用原有天然氣管網系統是解決長距離、大規模運輸值得探索的道路。

汽車材料除了鋼鐵、銅、鋁等金屬材料外，還有很多非金屬材料，如塑料、橡膠、皮革、紡織品、高分子材料、粘結劑等。這些非金屬材料釋放的有毒有害物質最多，因此應該盡可能的選用無污染或者低污染的環保材料以降低車內空氣污染的可能。

天然氣摻氫工藝中，混氫是重要的一步。氫氣和天然氣混合工藝主要有定壓配比系統和在線混合系統兩種

：

2)交通

燃油汽車排放是污染城市空氣的重要來源之一。因氫氣具有不同于天然氣的特性：燃燒速度快、著火范圍較寬等，一定比例的摻氫天然氣運用于發動機中使用具有節能減排的優勢，能夠使發動機性能大為提高，可改善燃燒特性，發動機的動力性、排放性均有明顯的改善

。研究表明，在天然氣中摻混20%的氫氣，發動機熱效率可提高15%，經濟性提高8%，污染物排放降低60%～80%

。

我院2004－2016年3種非發酵革蘭氏陰性桿菌耐藥性分析…………………………………………………… 李祥鵬等（6）：790

在我國，諸多高校企業單位都已開展對于天然氣摻氫領域的相關研究工作，但我國天然氣摻氫技術在工業及民用領域的相關產業政策、技術標準及規范幾乎為空白，僅有中國標協的團體標準《天然氣摻氫混氣站技術規程》（征求意見稿），對儲氫總容量不大于8 000 kg 的、摻氫比例不超過20%(體積分數)、摻氫天然氣壓力不超過4 MPa 的天然氣摻氫混氣站的設計、施工、驗收及運行維護進行了具體規定

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上海舜華新能源系統有限公司

對天然氣氫氣的混合氣體加氣站及加注方法等進行了相關研究，可實現高精度氫氣及天然氣的實時可調比例混合加注。加氣站含天然氣供氣系統，氫氣供氣系統、混氣加氣機、數據采集與監視控制（SCADA）系統。其中混氣加氣機集成混氣和加氣功能，可根據指定混合比例進行加注，避免了常規先混氣后加注流程中出現靜置分層的可能性。目前一般混合氣含氫比例小于30%，采用壓力比例相對較小的氫氣優先加注后再進行高比例壓力的天然氣加注的方式。使用控制系統精準調節氫氣與天然氣加注比例，相較于常規將氫氣、天然氣降至指定壓力再混合的方案，減少了能源浪費。

同時，天然氣摻氫發動機的改造可在原CNG車船基礎上改動，結合氣體原料成本，相對于純氫發動機的推廣使用也更具有經濟可行性，值得在車、船等交通領域探索。

3)燃燒（民用燃氣具及工業鍋爐）

近年來，我國多個城市的氫能產業發展規劃中都特別提及了天然氣摻氫，摻氫天然氣可借鑒天然氣技術基礎，探索更多的可能性，有望在今后的儲能運輸、交通、燃燒、發電等場景得以運用。

1)儲能運輸

氫氣混合比例不超過20%(V/V)的摻氫天然氣作為家用燃氣具的氣源，在國際上也已經積累了超過20 年的試驗研究經驗

。起止于2007 年12 月至2011年4月的荷蘭“可持續的埃姆蘭”項目，驗證了摻氫天然氣在家用爐灶、鍋爐上可安全燃燒使用，也為摻氫天然氣的家用電器等方面使用積累了實踐經驗

。國內，國家電投集團建設了國內首個“綠氫”摻入天然氣輸送應用示范——遼寧朝陽天然氣摻氫示范，項目將可再生能源電解水制取的“綠氫”與天然氣摻混后供燃氣鍋爐使用，已按10%的摻氫比例安全運行1年。2021年10月天然氣摻氫示范項目現場成功在民用燃氣具上使用摻氫天然氣點火

。

王珂等

針對天然氣摻氫燃燒技術在燃氣鍋爐的最佳摻混比開展數值模擬研究，以小火焰燃燒器為研究對象，計算了在空氣氛圍、恒定過氧系數、不同甲烷摻混氫氣比條件下，摻氫比對燃料燃燒溫度、燃燒速率、主要污染物排放濃度的影響。計算結果表明，隨摻氫比增加，燃燒溫度上升、燃燒反應速率加快，炭煙和CO 的濃度與排放總量均降低，NO

的濃度上升，但排放總量先減小后增大。結合我國城鎮燃氣的燃料互換性規范及工業污染物排放標準，得出最佳摻氫比為23%。

4)發電

在氫能源工業應用領域內，燃氫燃氣輪機是“全球使用可再生能源在2050 年實現無碳-氫能社會”的關鍵因素之一。崔耀欣等

通過對全溫、全壓、全流量試驗研究，分析了天然氣摻氫比例對F級重型燃氣輪機燃燒器燃燒性能的影響。試驗結果表明，當該燃燒器在10%到20%的氫含量范圍內，可實現安全和穩定燃燒，并滿足排放的要求。

氣態儲運主要有長管拖車和管道輸運，是我國目前最常用、最成熟的儲氫技術，但缺點是體積儲氫密度較低。低溫液態儲氫具有能量密度大、加注時間短等優點，但氫氣液化系統能耗大、成本高，儲罐絕熱要求高，技術難度大，初次投資成本高，液氫目前也主要運用在航空航天領域。有機液態儲氫（LOHC）利用氫氣與有機介質的化學反應來儲運，有機氫化物穩定性高、安全性好、儲氫密度大、設備和管路易保養、儲氫介質可多次循環使用，但依然存在脫氫能耗大的問題。固態儲氫將氫氣吸附于固體材料，目前存在的不足主要是室溫下儲氫量過低，且吸附材料的制備昂貴，商業化程度較低

。

那些年，報刊上發表雜文逐漸多了起來，書市里也能夠見到雜文集子，我讀了不少，還做了一些剪貼。我的雜文創作也進入了一個高峰期，早已不再為發表而創作了。我曾經在許多省市的日報和晚報上發表過作品，多數是在那個時期以雜文去“敲門”出現的。上海《解放日報》副刊部主任沈揚老師發了我第一篇約稿之后，幾年中“每發必中”，可至今我們都未曾見過面。

2 國內外標準體系建設

周銳等

研究了混含氫重整氣體后，天然氣發動機的THC（主要為CH

）排放量明顯減少，與此同時，NO

的排放在各試驗扭矩負荷率的范圍內也得到了改善，但是CO排放有所增加；摻混重整氣體有效地降低了發動機各扭矩負荷率下的循環變動，尤其是低扭矩負荷率下的循環變動降低更為顯著，增加了發動機運行過程中的穩定性。

摻氫天然氣管道可借鑒GB/T 34542、GB 50251、GB/T 29729、GB 4962、GB 50177 等標準規范中對于天然氣和氫氣管道的相關要求

。

成人參與學習是教育民主化的要求。隨著信息社會、知識經濟和終身學習時代的到來，成人無論參與正規學習、非正規學習抑或非正式學習，都被認為是促進學習型社會形成的重要元素。特別是基于ICT的成人教育，被更多人視為實現21世紀知識經濟所需的全民參與學習的一種重要途徑。學習型社會中ICT對擴大成人參與學習具有重要意義。

歐美國家目前已針對純氫氣長距離輸送管道設計與建設頒布了若干標準規范，例如, 壓縮氣體協會的Hydrogen Pipeline System:CGA.5.6、美國機械工程師協會的Hydrogen Piping and Pipelines:ASME B 31.12—2014、歐洲工業氣體協會Hydrogen Pipeline Systems:EIGA 的IGC Doc 121/14、亞洲工業氣體協會的 AIGA 033/06-2006 Hydrogen Transportation Pipelines 等，但尚未頒布專門針對摻氫天然氣管道長距離輸送的標準規范

。

3 天然氣摻氫關鍵技術研究與應用

3.1 天然氣混氫工藝

同時，國際上也廣泛認為，天然氣摻氫可有效解決“棄風棄光”問題

。多余的棄電通過電解水制取氫氣，混合天然氣形成摻氫天然氣注入新建或原天然氣管網再至用戶端使用，可起到儲能和電力負荷削峰填谷的作用。研究表明，氫氣管道的造價約為天然氣管道的2 倍多，故該舉也同時避免了新建輸氫管道所需的高昂建造成本

。

近年來，我國城市商業銀行的整體滿意度不高，從表1可以看出我國城市商業銀行的客戶綜合滿意度的競爭力不足，表明國內城市商業銀行在客戶的整體滿意度感知方面的排名還處于較低水平，這也在一定程度上說明城市商業銀行在營銷和服務工作上做得不夠，導致顧客認可度不高，使得銀行市場競爭力無法得到質的飛躍。

1）定壓配比系統，是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行混合配比的。通過天然氣瓶組和氫氣瓶組向固定容積的氣瓶充氣，測量每次充氣的壓力，得到所需體積摻氫比，適合要求配比精度低、用量小的試驗場所。

2）在線混合系統是隨著用氣端工況變化，及時準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，并通過精度較高的質量流量計計量管道中天然氣的流量，根據測量結果按照所需的摻氫比計算得到氫氣流量，然后通過質量流量控制儀或比例調節閥控制氫氣的流量，最后通過穩壓罐進行混合，從而達到所需摻氫比。此方法配比精度較高。

伏尼契離開書店的時候，已經很晚了。布爾走出書店，叫了一聲：“小姑娘，我這兒有兩本書，不如你拿回家看吧。”伏尼契瞅了瞅那兩本書，其中竟然有一本就是被自己損壞的。她心想，是不是老板看出來了，不然怎么會這么巧呢？伏尼契鼓足了勇氣，說：“不了，謝謝叔叔。”說完，她飛一樣地跑了。

曼巴扎倉所蘊含的人類醫療經驗和思想為當下社會遇到的醫療困境提供了可能的啟迪。在討論醫患關系的歷史文化根源之前，我們應當感謝醫學人類學為人類提供的一個重要洞見：文化塑造了疾痛和治療。這是一個帶有整體論的命題，也是民族醫學的基本事實，即文化與醫療不可分割。

3.2 天然氣混氫站在國內首個摻氫燃機電廠的運用研究

國家電投湖北分公司荊門氫混燃機示范項目是我國首個氫混燃氣輪機聯合循環（CC）、熱電聯供（CHP）示范項目，該電廠為改造項目，設計最高摻氫比例為30%。天然氣取自原天然氣管網，氫氣在初始階段由氣體公司經管束車供氣，遠期考慮鋪設氫氣管道輸送至電廠。

因氫氣快速的燃燒速度與廣泛的自燃溫度范圍，在燃機中使用摻氫天然氣易存在閃回的風險（向后火焰分布到燃燒器中）。本項目中燃氣輪機氫氣含量的最大允許變化率限制為±0.5 vol%/s，壓力保持在燃氣輪機允許的限度內。因此對于混氣站的摻氫精度、穩定性都有較高要求。

本混氫站摻混點位于天然氣調壓站后。天然氣從調壓站后管道引出，與氫氣經氫氣調壓撬后管道通過三通進行并氣，并氣后混合氣體進入混合撬進行靜態預混，預混后的混合氣燃料通入燃氣輪機燃料進氣主管路（見圖2）。

混氫站主要含卸氫部分、氫氣調壓部分、混氫部分及控制系統。卸氫部分主要是卸車柱的設計，卸氫壓力為4～20 MPa，集卸車、吹掃、超壓保護于一體，保障安全卸氣。調壓撬塊是將氫氣調壓至3.2 MPa，采用1×100%運行設計，預留吹掃放空功能，并設置緊急切斷系統。混氫部分主要由質量流量計、調節閥、靜態混合器等構成，高精度流量計帶壓力溫度補償，保證氫氣、天然氣流量的準確性；氣動調節閥316 材質，在純氫介質下能夠長期抵制氫脆現象，精度控制在1%以內；靜態混合器設計異向擾流器，同時保證摻混罐容積，保證混合氣的停留時間，提高摻混均勻性。控制系統主要用于保障氫氣混合的精度以及整站的安全運行。天然氣根據燃機負荷控制進氣流量，氫氣管路按照（天然氣的流量/70%）×30%（最大）的流量設定值控制閥門開度，天然氣流量、氫氣流量、混合氣的氫濃度與氫氣管路的比例調節閥形成閉環控制；混合器下游設置的色譜儀，對混合后的燃料熱值和氫氣比例進行動態監測，并設定報警，高高報警，氫氣比例超限的連鎖保護等。

此外，混氫站配備有完善的氮氣置換吹掃系統、安防報警系統、安全放散系統，包含緊急切斷閥、止回閥、過濾器、安全閥等必要的閥件；放空、排污采用雙閥，減少泄漏風險；充分考慮防火間距，保持氫氣使用區域的良好通風；所有設備均滿足Ex Zone 1 IIB T4；氫氣管路材質附件滿足GB50516、50177等相關規定，避免氫脆。同時，因氫氣的焦湯負效應，氫氣在減壓節流過程中產生一定的溫升，本項目根據計算滿足燃機對于氣體燃料進氣溫度要求。

4 結語

氫氣作為一種理想的新能源具有廣闊的運用前景，我國氫產業化發展處于起步階段，開展天然氣摻氫方面的系統整體性研究，可為氫氣社會的發展探索并開啟更多的路徑。

本文首先通過文獻調研，可得出現階段天然氣摻氫在儲能運輸、交通、燃燒、發電等行業均可以得到有效的運用。但天然氣摻氫也處于前期研究階段，當前國內外在天然氣摻氫方面相關標準體系尚未完善。同時，推廣天然氣摻氫技術，其中的核心問題之一是混氫站的設計，如何安全穩定準確地保障摻混比例。故本文以國內首套摻氫燃氣輪機項目中混氫站作為案例介紹，深入探討了天然氣摻氫中核心之一混氫工藝的設計及混氫站在安全運行方面的相關舉措。

趙集停住卡車，到了。月亮慘白，豎井天輪一動不動，木材場剩下的原木，被剝光皮，仿佛一堆堆骸骨。緊傍鐵路的棚戶房，早被拆遷，住家集中到煤礦生活區。看不見噴云吐霧的火車，看不見一個人影兒，荒草窸窸窣窣，一只黃鼠狼像小人一樣站起，瞅著兩個大活人。何良諸心中驚異，凄涼，沉重！這里，一點點慘淡經營的生產氣氛都沒有了。

結合當前氫能源利用的現狀，大規模推動天然氣摻氫的技術應用，仍需各方的不懈努力，建議今后加強在摻氫、輸送、用戶環節的一些核心問題如摻氫比、混氫工藝，管材相容性、管網完整性、燃爆安全性，終端設備適應性等的技術研究與相關標準體系建立完備，最終促進氫能產業的大力發展，助力實現碳達峰、碳中和的目標。

[1]兩會提到的碳達峰、碳中和意味著什么？怎么突然就火了.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1694294841569678522&wfr=spider&for=pc.

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[9]氫云觀察：試驗20 年，近40 個項目！天然氣摻氫商業化還有多遠？https://www.sohu.com/a/419242053_120104159.

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[21]天然氣摻氫將爆發？不得不提10 年前荷蘭埃姆蘭島的一次著名試驗！https://www.chinapower.org.cn/detail/204362.html.

[22]摻氫天然氣在終端燃氣具上成功示范應用——國家電投“氫”您吃餃子.https://mp.weixin.qq.com/s/tcBc4YQtdSEEkiVyqmdesg.

[23]王珂，張引弟，王城景，辛玥.CH

摻混H

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