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天然气管道掺氢,顾名思义,是将可再生能源制备的“绿氢”与天然气混合,通过天然气管网输送到用户终端,改善天然气品质,实现节能降碳。天然气管道掺氢的优势主要在于四个方面:第一,可实现高效低成本输送大量氢气;第二,作为输氢管道,能够实现大规模可再生能源消纳(主要是风光发电的电解水制氢);第三,因天然气主要成分是甲烷,存在碳排放,掺氢后可降低天然气利用过程的碳排放强度;第四,我国天然气大量依赖进口,天然气掺氢是燃气资源的有效补充,能够保障燃气供应安全。

那么,对于后续大规模利用天然气掺氢,需要解决哪些具体的技术问题呢?我们主要从两个维度开展分析:一方面是掺氢输送技术可行性,另一方面是终端利用技术可行性。

一方面是掺氢输送技术可行性,主要需要考虑掺氢后的天然气物理性质、材料的耐受程度以及输送的工艺设备这三方面。从掺氢天然气物理性质上看,经过学者研究分析,在掺氢体积比0~20%变化的情况下,随着掺氢比例增加,掺氢天然气的临界温度与临界压力逐渐降低,燃气物理性质的变化导致外界温度压力波动时,与原先设计的燃气管道输送时,会发生一些意料之外的问题,影响管道的耐受程度;而从管道的耐受程度上看,如果是金属管道,掺氢后将引起“氢脆”,管道强度与受力改变,造成管道开裂,如果是非金属管道,氢气分子小,容易渗透,长期材料老化也会造成管道泄露失效;从输送工艺设备上看,输气设备工艺中包括不同形式的流量计、调节阀、压缩机、调压器、储气库、燃气储罐等,由于天然气掺氢后,掺氢天然气的物理性质变化,导致原先调节好的输气工艺设备不再适用于掺氢天然气输送,进而引发诸多问题,还将涉及到工艺设备技术改造再投资。经过一些研究表明,现阶段对于城市燃气管道,如果经过较少改造,掺氢体积比在10%左右基本可行,但是对于长输管道,由于管道带有较高压力,对材料的性质与掺氢天然气物理性质适配性变化较大,需要针对具体技术情况详细分析。

另一方面是掺氢天然气终端利用技术可行性,主要是天然气掺氢输送至居民或商业用户使用的燃气灶、燃气热水器、燃气壁挂炉是否会影响热效率、碳排放这些方面。在燃气灶、燃气热水器、与燃气壁挂炉的燃烧方面,通过查阅资料,在掺氢比例达到20%(有些资料甚至是30%时),燃烧性能并未产生较大影响,也没有出现脱火、回火等影响燃烧状态的现象,由于氢气更易燃烧,掺氢后的天然气还能够在一定限度内提升热效率(同等质量情况下);在污染物排放、碳排放方面,天然气掺氢后,能够有效减少氮氧化物排放(主要原因是含碳燃料不完全燃烧引起的)、降低碳排放(主要原因是天然气掺氢后含碳量下降)。由上述分析可知,天然气掺氢后的终端利用技术在天然气掺氢比例研究范围内时,总体是可行的,重点需要

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