掺氢输送是氢能利用的重要途径之一

  [中国石化报 2024-03-11]
  我国是能源需求大国，能源消费量保持增长的同时也面临着严峻的低碳环保压力。氢气作为清洁能源，资源量丰富。作为燃料，具有零碳排放、速度快、效率高等特点。
  国家重点研发计划“氢能技术”重点专项是以推动能源革命、建设能源强国等重大需求为牵引，系统布局氢能绿色制取、安全致密储输和高效利用技术，贯通基础前瞻、共性关键、工程应用和评估规范等环节。其中，氢能运输属于研究范围。
  通常来看，产氢的地区和用氢的地区相距甚远，运输成本高，对管材安全性要求高。氢能运输成为制约氢能产业发展的薄弱环节，经济性和安全性均有待提高。
  为解决地区间长距离、大规模氢气资源输运与调配难的问题，掺氢天然气被提议为一种高效、安全输运的优选方案。据统计，2023年我国天然气消费量约3945亿立方米，按照10%的掺氢比例输运氢气可达350万吨，每标准立方米氢气的输运成本为0.12~0.46元。
  目前，全球已开展多项关于掺氢天然气的示范。欧洲氢骨架计划利用和改造现有的天然气管道实现氢气管道的基础设施建设，在英国基尔大学等已建成应用示范。他们将氢气掺入城镇燃气利用，验证了掺氢天然气与燃气管网的适应性。
  我国天然气管网发展较为成熟，如果用天然气掺氢的形式代替纯天然气，可充分利用现有基础设施，大大节约投资成本，形成氢气的普及利用，实现“氢进万家”。
  打通“制氢-掺氢-输氢-用氢”链条
  如何生产氢、把氢运输出去、让氢进万家？西安交通大学教授魏进家认为，我国首座城镇燃气掺氢综合实验平台的投用，就能打通氢能从生产到运输再到使用的整个链条。
  该实验平台主要针对中低压纯氢与掺氢燃气管输系统的本质安全、工艺和完整性管理及终端应用，通过机理探究等手段，消除中低压纯氢与掺氢燃气管道输送及应用瓶颈，形成以关键设备和工艺软件为核心的技术体系，并围绕管输工艺、管材、实验方法、应急抢修、燃烧器具编制标准体系。
  项目研究人员介绍，掺氢燃气管输部分需要建立一个科学的燃气掺氢综合实验平台，研究现役城镇燃气输配系统是否适用于掺氢天然气、最合适的掺氢比是多少、关键设备和部件是否需要改造等关键技术问题，形成相应的评价标准体系，为掺氢天然气在城镇燃气领域进行大规模应用奠定基础，进而建设以氢能社区为示范的产业体系。
  为了让实验数据更贴近实际、更真实，实验平台模拟了城镇燃气的全部应用场景，主要包括掺混模块、减压调压模块、管材相容性评价模块、燃气器具测试模块、终端利用模块。天然气与氢气通过掺混模块，能够得到掺氢体积比为5%~20%、掺氢精度为1%的掺氢燃气。减压调压模块进入管材相容性评价模块进行长周期实验测试后再进入燃气器具测试模块进行验证。测试完成，掺氢燃气进入千家万户。
  天然气掺氢，安全是重点。项目研究人员在天然气管道完整性管理技术的基础上，初步建立了掺氢天然气管道完整性管理技术，对掺氢天然气管道进行全生命周期安全管控。技术人员在平台各关键节点安装氢气报警器，并采购专业的氢气泄漏探测器，每两小时进行一次巡查。基于BIM建模技术，建立了平台数字化三维模型，并接入远程监控系统，对平台数据进行实时监控。
  该平台还为氢气泄漏提供了架空、埋地、管廊等不同场景的监测方法验证及事故后果测试。终端还预留热电联供系统、氢气分离纯化装置的测试功能，发挥氢能能源互联媒介和高效耦合的特性，推动氢能与电力、热力等能源的互联互补，实现氢能进入社区楼宇、居民家庭、交通领域乃至工业园区。该平台还预留了光伏+谷电制氢模块，旨在打造包含“制-掺-输-用”全链条的绿氢典范项目。
  该平台不仅需要承担不同钢级、不同压力、不同口径的管材及阀门、连接件、表具等燃气基础设施的氢环境长周期实验，而且需要对多种燃气器具及终端应用场景开展适应性研究，这对平台整体设计工作提出更高要求。
  中原设计公司2018年率先在国内开展“天然气掺氢输送工艺技术研究”，形成了关于天然气掺氢的工艺技术并取得专利，因此承担该项目的平台设计任务。技术人员针对纯氢/掺氢管输应用流程中的关键环节，结合各课题的研究成果，突破了中低压纯氢与掺氢燃气管道安全稳定高效输送及应用中的理论与技术瓶颈，在优化工艺流程设计、满足测试功能、多模块可拆卸工装段安装设计、便于操作、安全防护设施设计等方面下足功夫，设计成果满足了多种实验要求，构建并形成了完整的科技实验平台及标准体系。
  助力实现“氢进万家”，减少碳排放
  据相关机构预测，碳中和后，我国氢气年需求量约1亿吨，中低压管输及应用将会成为促进氢能规模化应用的重要手段。
  国家能源局将纯氢与掺氢管道示范作为“十四五”的重点任务。中国石化、中国石油、中国海油等均开展了纯氢与掺氢管道示范规划。氢气规模化应用成为我国能源发展的主要方向之一。
  当前，我国天然气管网规模可观，年输运天然气量接近4000亿立方米，天然气管道超过100万公里，其中长输天然气管道接近10万公里、城市燃气输配管道超过90万公里。
  中国城市燃气协会发布《天然气管道掺氢输送及终端利用可行性研究报告》，预测“十四五”期间，我国新增天然气管道掺氢示范项目15~25个，掺氢比例3%~20%，年氢气消纳量15万吨，总长度在1000公里以上。其中，新增长输天然气管道掺氢示范项目2~5个，掺氢比例3%，年氢气消纳量10万吨，总长度在800公里以上；新增城镇燃气掺氢示范项目10~20个，掺氢比例3%~20%，年氢气消纳量5万吨，总长度在200公里以上。
  据管道掺氢国家重点研发计划项目负责人李玉星介绍，掺氢天然气相比纯天然气，是一种更清洁的低碳燃料。如果掺氢比例为10%~20%，我国每年可减少碳排放量1000万~2000万吨。在天然气中掺入20%体积比的氢气，燃烧后的氮氧化物、一氧化碳等均可减少20%以上。目前，我国城镇燃气每年的用气量约4000亿立方米，在天然气中掺入20%体积比的氢气，我国每年可减少碳排放量约3000万吨。
  与以氢气、一氧化碳等为主的煤制气、焦炉气等相比，天然气的主要成分为甲烷，掺氢燃气对管材的长周期、宽压力作用还需进一步明确。我国首座城镇燃气掺氢综合实验平台的投用，能更准确地对现役燃气基础设施进行适应性评价，并形成标准体系，推进“氢进万家”产业体系发展，助力实现“双碳”目标。