天然气掺氢技术距商用还有多远？

近日，河北省首个天然气掺氢示范项目在张家口市启动，项目氢源来自鸿华清洁能源有限公司张家口制氢厂，预计每年可生产氢气约1000吨，经纯化后分三路向外输送，其中一路将与张家口市政燃气管网掺混，应用于民用灶具及混氢天然气（HCNG）汽车。

近年来，在一系列政策推动下，我国氢能产业快速发展，多家大型企业将氢能作为能源战略转型的重要方向并纷纷布局，但如何实现氢气大规模输送，一直是氢能产业发展的“卡脖子”问题。在业内人士看来，天然气掺氢技术可以利用已有的天然气管道输送，相比其他方式成本低、效率高，是目前实现氢气大规模、长距离输送的有效方式。

“绿氢”应用的一种好方式

据了解，目前常用的氢气输送方式主要包括高压氢瓶长管拖车输送、液氢槽罐车输送和液氢驳船输送等，但这些输送方式的成本较高、效率较低，难以满足大规模、长距离高效输送要求。而将一定比例的氢气掺入天然气中形成掺氢天然气，利用天然气管道或管网进行输送，是实现氢气大规模输送的有效方式。氢气掺入天然气管道中可以替代一部分天然气用量，有效降低燃烧污染物排放，改善大气环境。

此次河北省天然气掺氢示范项目由国家电投中央研究院参与，张家口鸿华清洁能源科技有限公司作为项目负责人具体实施，项目预计每年可向张家口市区输送氢气440万立方米，使天然气用量每年减少158万立方米，碳排放每年减少3200吨。

除了上述项目外，位于辽宁省朝阳市的国内首个电解制氢掺入天然气项目“朝阳可再生能源掺氢示范项目第一阶段工程”已于去年底圆满完工。该项目利用燕山湖发电公司现有10Nm3/h碱液电解制氢站新建氢气充装系统，氢气经压缩瓶储后通过集装箱式货车运至掺氢地点，同时，在厂外建设天然气掺氢设施，实现天然气掺氢示范，项目一期掺氢比例为5%，仅为一个用户供气。

“天然气掺氢是‘绿氢’应用的一种很好的解决方式，我国风电、光伏等可再生能源多分布在‘三北’地区，但可再生能源高比例发展存在一个波动性问题，若要更加稳定安全，电解水制氢是一种方法，但如何将制取的大量氢气从偏远地区运输到消费地？很巧的是，我们有大量天然气管网覆盖‘三北’地区，如果能将氢气直接注入天然气管网，应该是一个很好的输送方式，规模也会比较大。”中国可再生能源学会氢能专业委员会主任委员蒋利军告诉记者。

安全问题亟待解决

虽然应用前景广阔，但在多位受访者看来，将一定比例的氢气掺入天然气管道中输送，会带来新的技术问题和安全问题。

与天然气主要成分甲烷相比，氢气具有密度小、最小点火能量低、爆炸区间范围宽、火焰温度高、扩散系数大等特点。因此，掺氢天然气和常规未掺氢天然气在物性、燃爆特性等基本性质上存在一定差异。

“掺氢天然气管道输送主要涉及掺氢环节、输送环节和用户环节，与常规天然气管道输送相比，在这三个环节中，由于氢气的掺入，引入了新的若干技术问题。比如，掺氢对天然气终端用户有何影响，掺氢天然气与管材的相容性如何变化，掺氢天然气泄漏、积聚、燃烧、爆炸等事故特征和演化规律与不掺氢天然气有何区别，掺氢天然气管道输送的风险性、安全性和可靠性如何变化，相关标准和规范应如何制定等，这些都需要在不同掺氢比条件下重新评估和判断。”北京石油化工学院李敬法博士说。

据介绍，一定浓度的氢气进入管道后，局部氢浓度饱和时会引起材料塑性下降、诱发裂纹或产生滞后断裂，发生氢脆；此外，氢还可能与管线钢中的碳反应生成甲烷，造成钢脱碳和产生微裂纹，导致钢的力学性能不可逆的劣化，发生氢腐蚀，对管道运行带来较大安全隐患。

此外，用户端也存在较大不确定性。“由于天然气掺氢后会面向各种不同的用户，包括家庭、工业等用户，家用灶具及其他设备具体能够承受多大比例的氢气，国内这方面的研究还不是太多，欧盟经验显示，5%、10%的比例普遍认为是没问题的，他们的灶具甚至可以承受23%的掺氢比例，我们还需要更多的数据积累。”蒋利军说。

标准规范要跟上

国外对氢气掺混入天然气管网使用研究进行了三十多年，目前在欧洲，HyReady和HIPS-Net等技术委员会和行业组织正在研究掺氢的标准。而我国相关的研究起步较晚，示范项目少，相关研究结论相对较少。

对此，李敬法表示：“我国掺氢天然气管道输送研究和示范相比较为缓慢，目前尚无相关技术标准和规范，现有掺氢天然气管道输送项目基本参照常规天然气管道进行建设和管理。未来亟需开展国内掺氢天然气管道输送及配套工艺的技术标准和规范研究，为掺氢天然气管道安全可靠运行提供技术标准指导。”

国家发改委2019年印发的《绿色产业指导目录（2019年版）》，将“氢掺入天然气管道等设施的建设和运营”列入其中，并在投资、价格、金融、税收等方面给予政策支持。

朝阳可再生能源掺氢示范项目第一阶段工程是国内首个电解制氢掺入天然气的项目，该项目在一定程度上验证了电力制氢和氢气流量随动定比掺混、天然气管材与氢气相容性、掺氢天然气多元化应用等技术的可靠性和稳定性。

“朝阳可再生能源掺氢示范一期项目有了掺氢5%的数据，目前正准备开展二期，但总的来说，其氢气量还很小，此次河北张家口的天然气管道掺氢项目，规模相对大一些，希望能有更多的示范。这样先小规模示范，积累数据并发现问题，最后建立标准，对今后我国大规模推广天然气掺氢技术是很好的方式。”蒋利军说。