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天然气掺氢的意义
天然气管道掺氢技术是指将氢气与天然气按一定比例混合，通过天然气管网输送到用户终端。
天然气管道掺氢的意义主要体现在以下两方面：
1、改善天然气品质，降低碳排放
天然气是一种主要由甲烷组成的可燃气体，应用范围广泛。天然气的碳排放量较低，只有石油的40%，煤炭的60%，一立方天然气的碳排放约为1.87千克。通过掺氢方式，可以进一步降低天然气燃烧后氮氧化物、一氧化碳含量，并且使天然气燃烧更加充分，提高能源的利用效率。按照目前每年全国城镇燃气的用气量在4000亿立方米左右，在天然气当中掺入20%体积比的氢气，每年全国减少碳排放量可达3000万吨左右。除此之外，天然气掺氢还能在一定程度上减少我国对进口天然气的依赖性，提升我国能源供应的自主性和安全性。
2、为氢气提供长距离输送通道
天然气掺氢是氢气低成本、长距离输送的理想方式，能有效解决我国氢能行业的地域供需错配问题，将我国华北和西北的可再生能源制取的氢气，低成本的输送到长三角、粤港澳大湾区、环渤海三大氢能产业应用区。目前氢能的管道运输分为纯氢管道和掺氢管道两种，纯氢管道材质要求苛刻，初始投资成本高昂，一般要500万元/公里，必须采用新建方式铺设。而掺氢管道只需对现有天然气管道稍加改造，更具经济性和可行性。
天然气掺氢技术
天然气掺氢比例
天然气掺氢技术的关键在于氢气浓度，因为氢脆与氢气浓度相关。氢原子很小，可以渗透进固体金属中，会导致金属的延展性降低，使金属脆化并产生裂纹甚至断裂。所以为保证输送混氢天然气管道设施的安全，氢气的浓度应控制在较低范围内。根据中海油的模拟实验结果，我国天然气管道常用的X70管线钢，在16.7%的氢浓度和12MPa的输送压力下，不会发生氢腐蚀。理论上，现有天然气体系理论上可以容纳20%以下的氢气浓度，研究证明，20%比例下，掺氢天然气在家用燃气具中燃烧的点火率、火焰稳定性与烟气排放性能全部合格而未发现安全性问题。
对于天然气应用端而言，掺氢浓度并非越大越好，因为气态氢是现存密度最小的气体，同样体积下，氢气的热值只有天然气的 1/3，如果掺氢比例过大，对现有的天然气应用设备会造成一定影响。下图中，横轴为天然气掺氢比例，蓝线为低位热值，可以看出，掺氢越多，天然气热值越低。
资料来源：王天天, 张海, 张扬等. 掺氢天然气在燃气锅炉和灶具中的回火风险分析. 力学与实践, 2022, 44(3): 543-553
根据统计，目前各国的天然气掺氢浓度一般在3—-20%之间。该比例可以与现有天然气管网系统兼容，如果掺氢比例超过20%，则需更换部分管道设施。
天然气掺氢位置
传统的天然气供应系统共有采气处理、集输及长途输气、城市门站、城市管网、各区域终端用户应用5大流程。天然气掺氢位置可分为两种，对应的应用规模也有所不同。
一是在天然气长输起点或过程中掺氢，进行跨省、跨市远距离输送，满足一个或多个城市应用需求。
二是在城市门站或用户端掺氢，在城市内或建筑内输氢，满足某片社区、厂区或某个建筑的用氢需求。
资料来源：能景研究院
天然气掺氢混气系统
由于氢气的密度远小于天然气，为避免氢气在天然气管道中上浮，需要采用专用的混气装置使氢气与天然气的掺混均匀。混气装置两端同时联接天然气和氢气源，在混合室中利用气体的压力和速度来达到混合均匀的效果。
资料来源：北京市煤气热力工程设计院有限公司天然气混气系统专利
在掺混之前，需要平衡天然气和氢气的进气压力。以晋煤集团天然气管网掺氢研究项目为例，该项目的氢气来源于高压气氢拖车，压力高达20MPa，而天然气压力只有0.3MPa-0.4MPa，混气时需要将两种气体降压至0.25MPa-0.3MPa。
天然气掺氢行业上下游
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天然气掺氢行业上游为制氢企业和天然气企业。目前我国氢气来源多样，主要分为化石能源制氢和可再生能源制氢两种。从政策和减碳逻辑上看，可再生能源制氢将会是未来天然气掺氢行业的主要氢气来源。
天然气掺氢行业的中游为掺氢站，主要由各大燃气公司运营，随着各天然气掺氢示范项目的验证，天然气掺氢站技术逐步成熟，即将步入商用阶段，多个大型燃气公司已开始提前布局。
天然气掺氢行业的下游包括终端用户包括混氢天然气用户和氢能用户两类。其中混氢天然气用户包括居民用户（燃气灶、壁挂炉）、商业用户（小型锅炉）、工业用户（大型锅炉、燃气电厂）、交通运输（掺氢天然气内燃机）等；氢能用户包括电力领域（氢发电）、化工领域（氢冶金、合成氨、合成甲醇）、交通领域（氢燃料电池汽车）等。由于混氢天然气中氢气比例仅有3-20%，需要在应用端通过变压吸附、膜分离、深冷分离等分离技术将氢气分离并提纯出来。
结语
“双碳”目标背景下，天然气与氢能可以良性互补，形成融合发展的产业格局，在保障天然气供应安全和减碳的同时，为氢气提供低成本的储运渠道，加速氢能产业的应用推广。
现阶段，我们已有至少4例天然气掺氢应用示范项目投运，天然气掺氢的技术已相对成熟，具备商业化应用可行性。
目前制约天然气掺氢商业应用的主要因素是我国天然气管道输送相关的标准，其中《煤制合成天然气》（GB/T33445—2017）和进入天然气长输管道的气体质量要求（GB/T 37124—2018）中，分别规定了混合气体中氢气比例上限不超过5%和3%。
上个月，国家发改委印发的《天然气利用管理办法》明确将终端天然气掺氢示范项目等高精尖天然气安全高效利用新业态列为优先类。这是天然气行业首次对氢能应用“敞开大门”，预示着政策即将松绑，天然气掺氢技术有望得到规模化推广应用。
（通讯录）
