氫氣因其無碳化、可再生的屬性,將在未來的能源應用領域內,具有先天優(yōu)勢和廣闊的運用前景。然而,氫能輸送效率是現(xiàn)階段制約氫能產業(yè)發(fā)展的瓶頸環(huán)。 專家提出,利用現(xiàn)有國內已建成的天然氣管網,摻入一定比例的氫氣輸送。“天然氣摻氫”概念由此提出,被認為是實現(xiàn)節(jié)能減排和規(guī)模氫能運輸?shù)闹匾侄巍?br />
基本概念
天然氣,是一種烴類和非烴類氣體的混合物,是我們常見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氣體,是二次能源,需要進行生產加工才能得到,目前主要通過化石能源和工業(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),通過天然氣管道將摻氫的天然氣輸送至終端用戶,隨后直接利用、或者將氫氣提純后分別單獨使用。
天然氣與氫氣的物理化學性質不同,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。通過調配不同的摻氫比例,可以優(yōu)化天然氣的燃燒特性。
現(xiàn)實意義
對天然氣產業(yè)而言,摻氫天然氣能夠利用氫氣替代一部分天然氣消費,若按摻氫比10%~20%測算,預計每年可替代100億~200億m3天然氣,一定程度上緩解天然氣的供應緊張問題。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。清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室馬凡華表示,假如在天然氣當中摻入20%體積比的氫氣,燃燒后氮氧化物、一氧化碳、未燃碳氫都可降低50%以上。
對氫能產業(yè)而言,在天然氣管道摻入氫氣運輸,短期有助于突破氫氣運輸瓶頸。上期講到管道輸氫,能實現(xiàn)氫能的遠距離、大規(guī)模、低能耗運輸。與不足300km的純氫管道相比,我國天然氣管網總里程約為1.1×105km,這為發(fā)展天然氣摻氫運輸提供了堅實的基礎。另一方面,天然氣摻氫,可以擴大氫氣的應用領域和規(guī)模,若按摻氫比10%~20%測算,預計2030年有270萬~630萬噸氫氣摻入天然氣管網。
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行混合配比。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。
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(jié)閥控制氫氣的流量,最后通過穩(wěn)壓罐進行混合,從而達到所需摻氫比。此方法配比精度較高。
摻氫比例
天然氣摻氫后將對天然氣管網基礎設施及終端用能設備產生一定的影響,根據氫氣含量不同,對產業(yè)鏈不同環(huán)節(jié)、不同設備產生的影響也存在差異。研究表明,低比例的氫氣(20%體積比以內)加入天然氣管網系統(tǒng)中并不會明顯增加相關事故風險及危害,對系統(tǒng)進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系統(tǒng)。
由于受多個因素制約,國際上對于天然氣管道系統(tǒng)中可摻氫比例尚無統(tǒng)一確定的標準。目前各國對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%以內。我國在《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》提出,僅允許不超過3%的氫氣進入天然氣管道。
發(fā)展現(xiàn)狀
進入21世紀以來,國內外對天然氣摻氫開展了相應的研究和示范工作,據國際能源機構數(shù)據,全球開展了近40個摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)應用示范項目。歐洲國家率先開始進行天然氣摻氫的研究和示范項目,例如歐盟Natural Hydrogen項目、荷蘭Sustainable Ameland項目、德國DVG項目、法國GRHYD項目、英國Hydeploy項目和H21Leeds CityGate項目等。其中,部分示范項目中的最高摻氫比例已達到20%。
與領域先行國家相比,我國天然氣摻氫產業(yè)起步較晚,缺乏全面的技術體系和成熟的工程實踐。目前初步建成示范項目有3個:遼寧朝陽天然氣摻氫示范項目,摻氫比例為10%,實現(xiàn)了制氫、儲運、摻混、利用全鏈條驗證;山西晉城天然氣摻氫示范項目、河北張家口天然氣摻氫入戶項目。其他在建或規(guī)劃的示范性項目還有12個。
未來潛力
據國際能源機構統(tǒng)計,自2013年以來,全球天然氣摻氫的規(guī)模增長了7倍,2020年天然氣管道摻氫規(guī)模達到了約3500噸。目前所有正在推進的天然氣摻氫項目都能落地,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,氫氣總摻入量將達到5300萬噸。巨大的需求缺口,表明天然氣摻氫市場前景可觀,發(fā)展?jié)摿薮螅?br />
總 結
天然氣摻氫,能夠提高氫能在能源中的比例,減少對傳統(tǒng)化石燃料的依賴、降低碳排放,還有助于擴大氫的需求、降低氫氣長距離運輸成本,并通過規(guī)?;档椭茪涑杀尽_@為氫能產業(yè)發(fā)展提供了新的思路,對氫能在交通、建筑、制造業(yè)和電力等領域的推廣有著重要意義。
原標題:天然氣摻氫:節(jié)能減排和氫能運輸兩手抓