撰文 ｜ 王智鏑；編輯 ｜ 郭郭

→這是《環(huán)球零碳》的第220篇原創(chuàng)

摘要：“天然氣摻氫”擴(kuò)大了氫氣的運(yùn)用場(chǎng)景�！疤烊粴鈸綒洹辈粌H能增加天然氣的燃燒值；還可以利用天然氣管道等基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)現(xiàn)階段氫氣運(yùn)輸、氫能的廣泛及規(guī)模運(yùn)用開(kāi)拓更多的可能性，并且能夠大大降低二氧化碳的排放�！疤烊粴鈸綒洹痹跒樯鐣�(huì)脫碳努力的同時(shí)，也面臨著一些安全方面和成本控制的挑戰(zhàn)。IRENA建議，各國(guó)政府應(yīng)盡快對(duì)天然氣摻氫管道提供相應(yīng)補(bǔ)貼。

氫氣，被認(rèn)為是清潔能源的未來(lái)之星，將在能源舞臺(tái)上成為一種舉足輕重的能源。

但氫氣太輕，比我們呼吸的空氣還輕11倍。這一特性導(dǎo)致氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸很困難，也限制了它的運(yùn)用場(chǎng)景。

氫氣一般可以以兩種形式運(yùn)輸或儲(chǔ)存：液體和氣體。氫氣作為液體保存時(shí)，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，需要降溫到－252．76℃，這將消耗大量能源；將氫氣作為氣體儲(chǔ)存時(shí)，通常需要高壓容器。

這些苛刻的要求，無(wú)疑會(huì)限制氫氣作為能源的廣泛使用。加上目前基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)輸方式等因素的限制，導(dǎo)致氫氣的運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本過(guò)高，成為氫氣在現(xiàn)有能源供應(yīng)體系中未得到廣泛應(yīng)用的重要原因。

為了解決這些困境，擴(kuò)大氫氣的運(yùn)用場(chǎng)景，人們想出了“天然氣摻氫”的方法，這為氫能的擴(kuò)大使用范圍奠定了很好的基礎(chǔ)。

所謂天然氣摻氫，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），是氫能利用的重要方向之一。

天然氣摻氫有一舉多得的效益：一是可以改變天然氣的燃燒特性，增加燃燒值；二是可以利用天然氣管道等基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)現(xiàn)階段氫氣運(yùn)輸、氫能的廣泛及規(guī)模運(yùn)用開(kāi)拓更多的可能性；三是可以大大降低二氧化碳的排放。

比如根據(jù)印度德里一些城市的實(shí)驗(yàn)，在公共汽車(chē)中，用富氫壓縮天然氣作為燃料，在天然氣中摻入18％左右的氫氣，可以減少高達(dá)70％的一氧化碳排放，同時(shí)節(jié)省 5％ 的燃料。

正因?yàn)檫@些顯而易見(jiàn)的好處，天然氣摻氫的“潮流”已經(jīng)席卷多國(guó)。截至今年5月，英國(guó)、美國(guó)、比利時(shí)、德國(guó)等國(guó)家均已啟動(dòng)了天然氣摻氫規(guī)劃。

中國(guó)也有天然氣摻氫的商用項(xiàng)目落地。

今年初，國(guó)家電投集團(tuán)宣布，首個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)摻氫燃燒示范項(xiàng)目正式投運(yùn)，整體方案可行性得到驗(yàn)證。在現(xiàn)役天然氣機(jī)組中增加氫燃料來(lái)源，不僅能夠有效節(jié)約天然氣用量，保證冬季供暖安全穩(wěn)定，同時(shí)具有積極減碳效應(yīng)。

此外，氫燃?xì)廨啓C(jī)可化解我國(guó)天然氣緊缺導(dǎo)致的燃機(jī)行業(yè)發(fā)展阻力，有利于推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)高端裝備制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

01  天然氣摻氫的應(yīng)用

氫能應(yīng)用模式豐富，在交通運(yùn)輸、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域都可應(yīng)用，包括作為燃料電池汽車(chē)用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域，為工業(yè)領(lǐng)域提供清潔的能源或原料等，分布式發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)為建筑提供電和熱。

因此，作為氫能的利用技術(shù)之一，摻氫天然氣不僅在管道運(yùn)輸方面?zhèn)涫荜P(guān)注，在上述其他領(lǐng)域也有著巨大的減排潛力。

1／ 天然氣摻氫輸送

目前摻氫天然氣技術(shù)廣泛地運(yùn)用在管道輸送方面。天然氣管網(wǎng)具有區(qū)域廣、輸送量高、傳輸距離長(zhǎng)及費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，利用現(xiàn)役天然氣輸配管網(wǎng)與基礎(chǔ)設(shè)施摻氫輸送，可實(shí)現(xiàn)低成本、規(guī)�；�的氫能供應(yīng)。

由于鋼材在氫氣環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生氫損傷，包括氫脆、氫致裂紋、氫鼓泡等，此外在較高的溫度壓力下還會(huì)發(fā)生脫碳和氫蝕。其中氫脆（氫原子進(jìn)入金屬晶格內(nèi)部，使金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象）是發(fā)展摻氫天然氣管道輸送技術(shù)的主要安全問(wèn)題。

為解決氫運(yùn)輸中這一問(wèn)題，天然氣摻氫輸送提供了良好的解決方案。該系統(tǒng)主要包括在役天然氣管道系統(tǒng)、產(chǎn)氫裝置、壓縮裝置、降壓裝置、輸送裝置以及終端裝置。

天然氣摻氫輸送的工作流程為：通過(guò)新型的可再生能源電解水制氫；將氫氣壓縮后，存儲(chǔ)于儲(chǔ)氫裝置中；經(jīng)過(guò)降壓裝置的氫氣與穩(wěn)壓后的天然氣，氫氣流量依據(jù)天然氣輸送量的隨動(dòng)注入摻混裝置中混合；利用天然氣管道及配套設(shè)施進(jìn)行輸送，流經(jīng)輸送裝置時(shí)需考慮氫氣對(duì)管道、閥門(mén)及焊縫的影響；最后，經(jīng)終端裝置分輸給用戶。

目前，國(guó)際上尚未出臺(tái)摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)專(zhuān)用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，各國(guó)天然氣氣體質(zhì)量規(guī)范中可允許的最大摻氫比例也各不相同，詳見(jiàn)下圖（特殊工況分別為：德國(guó)，未與管網(wǎng)連接的壓縮天然氣加氣站；立陶宛，壓力大于1．6MPa的天然氣管道；荷蘭，高熱值煤氣），大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)設(shè)置的摻氫比例不超過(guò)2％，少數(shù)設(shè)定為4％～6％，德國(guó)雖然規(guī)定上限為10％，但如果壓縮天然氣加氣站連接到管網(wǎng)，則該比例大幅下調(diào)至2％以下。

我國(guó)目前缺乏專(zhuān)門(mén)針對(duì)氫氣管道的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)天然氣管道輸送相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范《煤制合成天然氣》（GB／T33445—2017）《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》（GB／T 37124—2018）中，分別規(guī)定了混合氣體中氫氣比例上限不超過(guò)5％和3％；兩標(biāo)準(zhǔn)分別針對(duì)煤制合成天然氣和天然氣管網(wǎng)，考慮到天然氣／煤制天然氣生產(chǎn)過(guò)程中有氫氣，諸如焦?fàn)t煤氣中氫體積分?jǐn)?shù)約50％、甲烷約30％，且氫氣含量作為一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，需嚴(yán)格控制，達(dá)到控制和保證天然氣／合成天然管網(wǎng)輸運(yùn)安全�？梢钥闯�，各國(guó)對(duì)天然氣中氫氣含量要求較為嚴(yán)格，即便是開(kāi)展了摻氫天然氣管道輸送相關(guān)示范和研發(fā)工作的國(guó)家，對(duì)天然氣中可摻氫比例依然相當(dāng)謹(jǐn)慎，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的摻氫比例上限都未超過(guò)10％。

2／ 交通運(yùn)輸

燃油汽車(chē)排放是污染城市空氣的重要來(lái)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(yùn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)中使用具有節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)性能大為提高，可改善燃燒特性，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(fā)動(dòng)機(jī)熱效率可提高15％，經(jīng)濟(jì)性提高8％，污染物排放降低60％～80％。

在船運(yùn)中，船用LNG動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)以混燒機(jī)和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為主。由于天然氣中90％左右的體積分?jǐn)?shù)由甲烷組成，甲烷沒(méi)有C－C鏈，因此燃燒基本不會(huì)產(chǎn)生碳煙，使用天然氣作為燃料能保證船舶在降低NOx和CO排放的同時(shí)，使SOx排放基本為零，而摻氫天然氣能使LNG動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)減排能力更上一層樓。

據(jù)研究表明，LNG動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)燃料摻氫能夠明顯改善一氧化碳排放，由于氫（H2 ）不含C原子，使用摻氫燃料將有效降低溫室氣體的排放；氮氧化物的排放變化不明顯；由于H2良好的著火性，摻氫天然氣燃燒速率較快，將有效提高LNG動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性；通過(guò)燃料摻氫將使船用LNG動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)更加顯著。

3／ 燃燒（民用燃?xì)饩呒肮�業(yè)鍋爐）

天然氣摻氫燃料通過(guò)管網(wǎng)至家用灶具燃燒使用也被認(rèn)為是改善城鎮(zhèn)燃?xì)赓|(zhì)量與煙氣排放的有效途徑之一。研究結(jié)果表明，在低于20％體積分?jǐn)?shù)的摻氫比例下，摻氫天然氣在家用燃?xì)饩咧腥紵�的點(diǎn)火率、火焰穩(wěn)定性與煙氣排放性能全部合格而未發(fā)現(xiàn)安全性問(wèn)題，煙氣排放指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且隨著氫氣的體積分?jǐn)?shù)增加，煙氣中CO與NOX排放量有所降低。

針對(duì)天然氣摻氫燃燒技術(shù)在燃?xì)忮仩t的最佳摻混比的研究表明，隨摻氫比增加，燃燒溫度上升、燃燒反應(yīng)速率加快，炭煙和CO的濃度與排放總量均降低，NOX的濃度上升，但排放總量先減小后增大。

4／ 發(fā)電

在氫能源工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)是達(dá)成“全球使用可再生能源在2050年實(shí)現(xiàn)無(wú)碳－氫能社會(huì)”目標(biāo)的關(guān)鍵因素之一。據(jù)研究表明，當(dāng)該燃燒器在10％到20％的氫含量范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)安全和穩(wěn)定燃燒，并滿足排放的要求。

此外，土耳其學(xué)者們以20％摻氫天然氣系統(tǒng)對(duì)實(shí)際房屋光伏系統(tǒng)的影響做了一項(xiàng)研究，表明摻氫天然氣使光伏系統(tǒng)的功率提高14．28％，光伏系統(tǒng)容量的使用量下降。房屋的碳足跡減少了67．5％。

02  天然氣摻氫的“潮流”已經(jīng)席卷多國(guó)

天然氣摻氫相關(guān)應(yīng)用技術(shù)在2000年之后開(kāi)始被深入研究。在碳中和的背景下，各國(guó)政府將天然氣摻氫項(xiàng)目作為氫能應(yīng)用場(chǎng)景探索大力推廣。截止2019年年初，據(jù)IEA數(shù)據(jù)顯示，各國(guó)有37個(gè)示范項(xiàng)目正在研究天然氣網(wǎng)絡(luò)中摻氫。

英國(guó)：2020年1月英國(guó)示范項(xiàng)目HyDeploy正式投入運(yùn)營(yíng)。該項(xiàng)目是英國(guó)首個(gè)向燃?xì)庵凶⑷霘錃庖怨┘彝ズ推髽I(yè)使用的試點(diǎn)項(xiàng)目，用于向基爾大學(xué)現(xiàn)有的天然氣網(wǎng)絡(luò)注入高達(dá)20％的氫氣，為100戶家庭和30座教學(xué)樓供氣。該項(xiàng)目于2018年成功獲得HSE許可，在基爾大學(xué)開(kāi)展20％比例的摻氫實(shí)驗(yàn)，該項(xiàng)目的摻氫比例目前為歐洲最高。

意大利：2019年4月意大利公司Snam在南意大利啟動(dòng)了一項(xiàng)天然氣摻氫項(xiàng)目，并向該地區(qū)的兩家工業(yè)公司輸送了含量為5％的摻氫混合氣。2019年底，Snam將該項(xiàng)目的摻氫量翻了1倍達(dá)到10％。這意味著Snam每年將向該管道注入70億立方米氫氣。

德國(guó)：2019年8月德國(guó)公用事業(yè)公司意昂（E．ON）的子公司Avacon計(jì)劃將其天然氣管道網(wǎng)的氫氣混合率提高到20％。此外德國(guó)天然氣網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商協(xié)會(huì)（FNB Gas）曾指出，鑒于德國(guó)的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施較為完善，氫氣適合在德發(fā)展，并將敦促政府逐年遞增天然氣管網(wǎng)納入氫氣的比例，如從2021年的1％升至2030年的10％。

西班牙：2022年5月22日，西班牙第二大天然氣分銷(xiāo)商N(yùn)ortegas推出H2SAREA項(xiàng)目，這是西班牙第一個(gè)向現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡(luò)注入綠色氫氣的國(guó)家級(jí)示范項(xiàng)目。該公司將向其現(xiàn)有的8000余公里管道基礎(chǔ)設(shè)施注入氫氣，目的是為鞏固以氫作為西班牙住宅、工業(yè)和移動(dòng)市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)脫碳杠桿的地位。

中國(guó)：目前國(guó)內(nèi)首個(gè)電解制氫摻入天然氣項(xiàng)目——由遼寧省朝陽(yáng)燕山湖發(fā)電有限公司承接的國(guó)家電投天燃?xì)夤艿罁綒涫痉俄?xiàng)目已進(jìn)入試驗(yàn)階段，試驗(yàn)成功后將建設(shè)每小時(shí)生產(chǎn)1000立方的氫氣生產(chǎn)線。目前已建成每小時(shí)生產(chǎn)10立方氫氣的生產(chǎn)線，采取水電解制氫方法，通過(guò)把氫氣經(jīng)壓縮、加儲(chǔ)、摻混等環(huán)節(jié)進(jìn)入天然氣管道，試驗(yàn)結(jié)束后將出臺(tái)一個(gè)天然氣摻氫的標(biāo)準(zhǔn)，彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，把天然氣摻氫項(xiàng)目推到市場(chǎng)化去；2021年12月15日，內(nèi)蒙古科技重大專(zhuān)項(xiàng) “摻氫天然氣內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及示范應(yīng)用” 項(xiàng)目正式啟動(dòng)。該項(xiàng)目實(shí)施后，將為我國(guó)摻氫天然氣（HCHG）內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵技術(shù)突破、核心零部件開(kāi)發(fā)、樣機(jī)研制及工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

03  天然氣摻氫的未來(lái)發(fā)展

天然氣摻氫在為社會(huì)脫碳努力的同時(shí)，也面臨著一些安全方面和成本控制的挑戰(zhàn)。在運(yùn)輸方面，摻氫使氣體的滲漏和燃燒爆炸風(fēng)險(xiǎn)增加，且隨著摻氫濃度的增加危險(xiǎn)程度也逐步增加，泄漏后果的影響需要根據(jù)具體的泄漏環(huán)境進(jìn)行分析。

但也有觀點(diǎn)認(rèn)為，氫氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于天然氣，這樣便不易造成擴(kuò)散后的聚集，從而降低了危險(xiǎn)性。

在民用燃燒方面，當(dāng)氫氣加入天然氣中導(dǎo)致燃?xì)饨M成改變時(shí)，燃燒工況會(huì)改變，這將會(huì)影響燃具的性能，甚至可能導(dǎo)致燃具無(wú)法正常工作，發(fā)生回火現(xiàn)象，帶來(lái)一定的安全問(wèn)題。在工業(yè)應(yīng)用中，由于工業(yè)燃燒器具有高度多樣性的特點(diǎn)，不同類(lèi)型燃燒器的最大摻氫量各不相同，因此難以對(duì)天然氣摻氫帶來(lái)的影響得出普遍結(jié)論，也無(wú)法對(duì)摻氫濃度制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

此外，多家行業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步表示，目前氫氣的生產(chǎn)成本仍遠(yuǎn)高于天然氣，如果要大規(guī)模推廣天然氣摻氫，政府和企業(yè)需要算好“經(jīng)濟(jì)賬”。根據(jù)國(guó)際可再生能源署（IRENA）的測(cè)算，混摻20％的氫氣僅能比單純使用天然氣降低約7％的溫室氣體排放，而摻氫后天然氣供能的成本卻遠(yuǎn)高于單純使用天然氣。

IRENA同時(shí)指出，由于成本過(guò)高，天然氣摻氫還面臨著來(lái)自其他降碳方式的競(jìng)爭(zhēng)，比如，使用碳捕捉與封存（CCS）裝置降碳，按照其市場(chǎng)發(fā)展速度，成本將很快降至200美元／噸以下，這將對(duì)天然氣摻氫降碳產(chǎn)生很大壓力。對(duì)此，IRENA建議，各國(guó)政府應(yīng)盡快對(duì)天然氣摻氫管道提供相應(yīng)補(bǔ)貼。

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