陳石義 龍海洋 李天雷 廖 勇 劉 武

1. 浙江能源天然氣集團(tuán)有限公司, 浙江 杭州 310052;2. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;3. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院, 四川 成都 610500

0 前言

伴隨著氣候變化及《巴黎協(xié)定》的簽署,全球能源正在向高效、清潔、低碳、多元化的特征方向加速轉(zhuǎn)型推進(jìn)。世界各國(guó)的能源轉(zhuǎn)型發(fā)展主要集中在太陽(yáng)能、風(fēng)能以及水電等可再生能源,旨在提高能源安全及減少碳排放。但可再生能源的生產(chǎn)具有不穩(wěn)定性,且難以儲(chǔ)存,因此可解決可再生能源調(diào)峰問題的氫能迅速崛起,其具有高效的氫電轉(zhuǎn)化率、可儲(chǔ)存、單位質(zhì)量熱值高、燃燒界限寬等特點(diǎn),被認(rèn)為是未來的重要能源載體[1]。天然氣作為最清潔的化石能源目前正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期,全球已建和擬建的輸送管網(wǎng)數(shù)量龐大,因此將H2摻入現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)加以利用是近年來國(guó)內(nèi)研究和測(cè)試的熱點(diǎn)。通過對(duì)全球天然氣摻氫研究現(xiàn)狀、典型項(xiàng)目案例、問題與優(yōu)勢(shì)等方面的探討,認(rèn)為雖然天然氣管網(wǎng)摻氫目前存在一些問題,但仍是現(xiàn)階段擴(kuò)大氫能使用及高效運(yùn)輸氫的一種最好方式。

1 研究現(xiàn)狀

截至2019年底,據(jù)IEA數(shù)據(jù)顯示,全球已有37個(gè)示范項(xiàng)目正在研究天然氣網(wǎng)絡(luò)中摻氫。研究項(xiàng)目中包括通過天然氣配送網(wǎng)絡(luò)摻氫為家庭和企業(yè)供熱可行性，測(cè)試天然氣網(wǎng)絡(luò)摻氫比例對(duì)天然氣輸配關(guān)鍵設(shè)備、材料、終端設(shè)備和電器的影響，摻氫天然氣地下儲(chǔ)存的技術(shù)和監(jiān)測(cè)要求等。在歐洲,HyReady和HIPS-Net等技術(shù)委員會(huì)和行業(yè)組織正在研究摻氫的標(biāo)準(zhǔn),而歐盟委員會(huì)也在研究氫在天然氣網(wǎng)絡(luò)中的作用及相關(guān)政策。

在國(guó)內(nèi)，中國(guó)石油、中國(guó)石化、中國(guó)海洋石油、中國(guó)國(guó)家電投等企業(yè)已紛紛展開天然氣管道含氫相關(guān)研究工作。最新頒布的中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37124-2018《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》首次規(guī)定天然氣中最大允許含氫摩爾分?jǐn)?shù)≤3%;中國(guó)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 12003-2016《煤制天然氣》要求產(chǎn)品氣中氫摩爾分?jǐn)?shù)≤3%。

1.1 國(guó)外典型項(xiàng)目案例

1.1.1 荷蘭項(xiàng)目

荷蘭Sustainable Ameland項(xiàng)目(2008-2011年)第一次測(cè)試了天然氣摻氫的家用性能[2]。該項(xiàng)目通過用同材質(zhì)建設(shè)的通富氫天然氣管道和通純天然氣管道,對(duì)比研究富氫天然氣對(duì)管道影響。經(jīng)測(cè)算,摻氫體積最高可達(dá)到12%。

1.1.2 日本項(xiàng)目

日本三菱日立電力系統(tǒng)公司(MHPS)在2012年開展了體積分?jǐn)?shù)30%氫燃料混合物的大型燃?xì)廨啓C(jī)測(cè)試。其新開發(fā)的MHPS專有燃燒器可實(shí)現(xiàn)混氫天然氣的穩(wěn)定燃燒。與純天然氣發(fā)電相比,使用30%體積分類的H2混合物,CO2排放量減少了10%。發(fā)電效率高于60%。該系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是除了燃燒器需要升級(jí),其他設(shè)備不需專門改造,從而大幅降低了潛在成本。

1.1.3 俄羅斯項(xiàng)目

俄羅斯天然氣工業(yè)公司(Gazprom)計(jì)劃逐步提高通往歐洲“北溪2號(hào)”天然氣管道中H2份額,減少CO2排放以提升其氣質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)力。俄氣進(jìn)行的試點(diǎn)項(xiàng)目,負(fù)責(zé)用天然氣裂解制備藍(lán)氫工藝,該反應(yīng)在高壓、低溫,非平衡的等離子體中進(jìn)行,產(chǎn)生純H2流,碳以固體形式脫落而不是以CO2形式逸出到空氣中。同時(shí)俄羅斯國(guó)家原子能公司(Rosatom)位于西伯利亞的研究院正在開發(fā)一種稱為核電熱解水制氫的工藝。

1.1.4 英國(guó)項(xiàng)目

英國(guó)首個(gè)天然氣摻氫項(xiàng)目,天然氣摻入H2比例達(dá)到20%(體積分?jǐn)?shù))的示范項(xiàng)目2019年投入運(yùn)行,斯塔福德郡基爾大學(xué)向其自有天然氣管網(wǎng)摻入H2,并成功長(zhǎng)時(shí)間地向100戶家庭和30座教學(xué)樓供氣。

1.2 中國(guó)典型項(xiàng)目

2019年9月,中國(guó)國(guó)家電投的北京朝陽(yáng)可再生能源摻氫示范項(xiàng)目是中國(guó)首個(gè)電解制H2摻入天然氣項(xiàng)目,實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證H2“制取—儲(chǔ)運(yùn)—摻混—綜合利用”產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的目標(biāo),填補(bǔ)了中國(guó)天然氣管道摻氫示范項(xiàng)目的空白。

2 天然氣摻氫主要技術(shù)問題

天然氣摻氫主要考慮天然氣摻混H2互換性、安全性、能量輸送能力、摻氫對(duì)管道影響、摻氫對(duì)儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)影響等方面的技術(shù)問題[3]。

2.1 天然氣摻混H2互換性

H2與天然氣的互換性是摻混H2使用首先需要考慮的問題。因?yàn)椴煌瑖?guó)家和地區(qū)使用的天然氣氣質(zhì)不盡相同,故而摻氫比例有所差別。英國(guó)學(xué)者認(rèn)為,運(yùn)輸用的天然氣管道摻氫的上限是10%,家用灶具不得高于23%,未經(jīng)改造的天然氣汽輪機(jī)摻氫比例是小于5%[4]。比利時(shí)學(xué)者通過計(jì)算華白數(shù)得出,在比利時(shí)天然氣摻氫比小于17%[5],家用、商用灶具能直接使用摻混氣。而工業(yè)原料氣的成分改變,原先使用純天然氣作為原料的工藝和流程或都必須重新評(píng)估和調(diào)整。

2.2 摻氫天然氣安全性

歐盟委員會(huì)資助的NaturalHy項(xiàng)目(Florisson 2012)對(duì)利用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)輸送H2的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究。

研究發(fā)現(xiàn),在適當(dāng)?shù)耐暾怨芾硐到y(tǒng)到位的情況下,摻氫50%的天然氣管道故障頻率沒有變化[6]。但氫和天然氣混合物的著火概率增加,這是由于點(diǎn)火所需的最小能量顯著降低和燃燒上限的增加[7]。

在泄漏后果方面,氫氣體積分?jǐn)?shù)50%以下的混氫天然氣泄漏積聚方式與純天然氣相似,沒有觀察到氫從混合物中分離出來。反而由于氫組份體積小、浮力大、擴(kuò)散性強(qiáng),導(dǎo)致混合物在空中更難聚集,其效果比預(yù)期好[8]。

在爆炸后果方面,與純天然氣在密閉區(qū)域的爆炸相比,含氫少于20%的混氫天然氣在密閉環(huán)境中爆炸的嚴(yán)重程度相對(duì)增加不大[9]。在氫含量超過40%的混合天然氣中,才可以觀察到爆炸超壓后果的顯著增加。

在定量風(fēng)險(xiǎn)方面,與天然氣輸送管道爆炸相比,各氫氣體積分?jǐn)?shù)的含氫天然氣危險(xiǎn)程度在空間上具有一致的趨勢(shì):在靠近爆炸點(diǎn)處風(fēng)險(xiǎn)有增加,在遠(yuǎn)離爆炸點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)有一定程度減少,英國(guó)學(xué)者Lowesmith B J給出了添加H2的天然氣管道對(duì)個(gè)人帶來的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果,見圖1。

圖1 添加H2的7 MPa，Φ 914 mm天然氣管道對(duì)個(gè)人帶來的風(fēng)險(xiǎn)曲線圖Fig.1 Risk to an individual by adding hydrogen to the natural gas pipeline of 7 MPa,Φ 914 mm

最后NaturalHy項(xiàng)目的結(jié)論認(rèn)為在低濃度摻氫(<20%)的情況下較普通天然氣的安全風(fēng)險(xiǎn)并未有顯著增加;在中濃度摻氫(<50%，>20%)時(shí),安全風(fēng)險(xiǎn)仍可能是中等;在高濃度摻氫(>50%)時(shí),安全風(fēng)險(xiǎn)顯著增加,可能難以接受[10]。

2.3 天然氣管道摻氫輸送的能量影響

氫的能量密度較低,約為天然氣的30%,保持相同壓力下?lián)綒鋾?huì)降低氣體的能量含量。IEA數(shù)據(jù)顯示,在天然氣輸送管道中加入3%的H2,將使管道輸送能量減少2%左右[11]。慶幸的是天然氣管道并不是時(shí)刻保證在100%設(shè)計(jì)能力下輸送的,由于存在天然氣用氣的波動(dòng)性為H2管道混輸提供了經(jīng)濟(jì)上的可能,甚至可以增加部分管道輸送的效益。

2.4 天然氣摻氫對(duì)管道的影響

從20世紀(jì)60年代起,美國(guó)和前蘇聯(lián)就開始了氫致腐蝕機(jī)理的研究,天然氣管道以鋼材為主,摻氫適應(yīng)性主要表現(xiàn)在氫脆上[12]。國(guó)外研究結(jié)果表明,在中低壓管道系統(tǒng)中,由于管道運(yùn)行抗拉強(qiáng)度相對(duì)于設(shè)計(jì)強(qiáng)度較低,因此對(duì)氫增強(qiáng)裂紋增長(zhǎng)的影響要小得多[13]。在全世界范圍內(nèi),過去幾十年中這些運(yùn)輸純氫的管道均未出現(xiàn)操作問題。更早管道適應(yīng)性證明甚至來源于18世紀(jì)的商業(yè)建筑,家庭、城鎮(zhèn)路燈都使用了管道輸送煤氣或水煤氣,這種能源通常含有30%～50%的H2[14]。

NaturalHy項(xiàng)目也驗(yàn)證了其他金屬管道,包括球墨鑄鐵、鑄鐵和鍛鐵以及銅管道,在天然氣運(yùn)輸系統(tǒng)的供氣終端操作條件下,無需擔(dān)心氫損傷。關(guān)于氫老化對(duì)聚乙烯(PE)或聚氯乙烯(PVC)管道材料的影響,也沒有大的擔(dān)憂。大多數(shù)用于天然氣管道系統(tǒng)的彈性體材料也可與氫相兼容。但在高壓管道系統(tǒng)中,則提出易于發(fā)生氫損傷,另外若未采取合理的焊接措施,焊接時(shí)易產(chǎn)生硬塊,氫損傷風(fēng)險(xiǎn)增加。

在國(guó)內(nèi),中國(guó)石油管研院對(duì)某在役管道取樣,進(jìn)行了煤制氣管道含氫對(duì)材質(zhì)的影響和控制措施研究,研究結(jié)果表明:H2摻入對(duì)X 70管線鋼母材和焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率幾乎沒有影響[15],但降低了材料缺口試樣的抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率,表明材料表面不存在損傷情況下,低含氫煤制氣不會(huì)影響管材的承壓能力。

中國(guó)海洋石油新能源研究院進(jìn)行了H2腐蝕天然氣長(zhǎng)輸管網(wǎng)模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,H2含量為16.7%時(shí),12 MPa 輸氣壓力工況下,使用X 70鋼不會(huì)產(chǎn)生氫腐蝕,X 70鋼機(jī)械性能也不會(huì)發(fā)生顯著下降[16]。

中國(guó)石化新粵浙管線委托中國(guó)石油大學(xué)和中國(guó)鋼鐵研究總院,對(duì)新疆煤制天然氣的氫組分對(duì)新粵浙管線管材、管件的影響進(jìn)行了專題研究。結(jié)果表明氫含量≤2%時(shí),對(duì)X 80鋼級(jí)管材及管件無影響。

2.5 摻氫對(duì)天然氣管道系統(tǒng)的影響

綜上，雖然目前可以得出摻入低量H2對(duì)管道適應(yīng)性的威脅被認(rèn)為較小的結(jié)論。但是,配氣系統(tǒng)與輸氣管道差異很大,不可能簡(jiǎn)單地將輸氣管道的完整性影響結(jié)論套用到分配系統(tǒng)中。管道系統(tǒng)如果分布在人口密集地區(qū),可能需要根據(jù)人口密集程度,對(duì)火災(zāi)或爆炸的頻率和嚴(yán)重程度進(jìn)行重新評(píng)估。此外,配氣系統(tǒng)的氣體泄漏比輸氣管道更為嚴(yán)重,混氫供應(yīng)系統(tǒng)的適應(yīng)性管理可能需要新增安裝泄漏檢測(cè)傳感器。

利用現(xiàn)有天然氣管道系統(tǒng)來輸送H2并實(shí)現(xiàn)安全應(yīng)用的方案之一，是在最終使用天然氣其之前將H2從混合物中分離出來,管網(wǎng)終端的系統(tǒng)就可以只輸配合格的天然氣[17]。分子篩分離是一種成熟的分離技術(shù),采用分子篩的PSA系統(tǒng)可以將H2提純到99.999%滿足燃料電池車用氫要求,但這種方法的能耗成本較大。化學(xué)鍍鈀膜是可進(jìn)一步發(fā)展的從天然氣管道輸送的含氫天然氣中分離H2的技術(shù),鈀膜可以提供高純氫,但溫度必須為300 ℃,而且制造成本高昂[18]。CMS膜可以降低成本,并運(yùn)行在30～90 ℃間,但獲得的最大H2濃度僅為98%?，F(xiàn)在研究的前沿是將鈀膜和CMS膜結(jié)合制成一種雜化分離系統(tǒng),據(jù)相關(guān)有文獻(xiàn)表明,這種混合系統(tǒng)可能比單純PSA分離更便宜。最新資料顯示中國(guó)石油大學(xué)發(fā)現(xiàn)多孔石墨烯PG-ES薄膜可以替代鈀膜高效將H2從混合氣體中分離出來,將更進(jìn)一步降低提純系統(tǒng)的成本[19]。

3 天然氣摻氫的優(yōu)勢(shì)

目前，氫能利用主要聚焦在交通領(lǐng)域,特別是氫燃料電池汽車及其配套設(shè)施,在工業(yè)和建筑領(lǐng)域仍缺乏成熟的應(yīng)用場(chǎng)景和商業(yè)模式。利用現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡(luò)摻氫是解決上述問題的有效方案,按照國(guó)內(nèi)目前不足5 000輛示范運(yùn)行的氫燃料電池公交車、客車和物流車估算,年用氫量不超過2×104t[20];2025年,按照中國(guó)氫能聯(lián)盟預(yù)測(cè)50 000輛用車規(guī)模估算,用氫量也不到20×104t。而據(jù)IEA測(cè)算,2019年全球天然氣需求達(dá)4.11×1012m3,其中摻入3%(體積分?jǐn)?shù))氫就可拉動(dòng)1 100×104t H2消納,若這部分H2主要來自電解槽,電解槽裝機(jī)容量需求可達(dá)400 GW,這會(huì)使電解槽投資成本降低50%,有效降低可再生能源制H2成本。

4 結(jié)論

天然氣混合氫一直是全球H2運(yùn)輸和規(guī)?；玫闹匾芯糠较?對(duì)促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。對(duì)此,從中國(guó)國(guó)情看,在天然氣進(jìn)口量持續(xù)上升的大背景下,采用可再生能源制得的H2替代部分天然氣有利于降低進(jìn)口天然氣依存度,保障其能源安全;同時(shí),若能充分利用現(xiàn)有縱橫東西、南北的8.7×104km天然氣主干管網(wǎng)和龐大的支線管網(wǎng)進(jìn)行低濃度摻氫運(yùn)輸,不僅可降低H2制備、大范圍運(yùn)輸?shù)某杀?更能有力地促進(jìn)西部地區(qū)可再生能源發(fā)展,對(duì)推進(jìn)中國(guó)的能源轉(zhuǎn)型意義重大。