天然氣管道摻氫探討

陳石義 龍海洋 李天雷 廖 勇 劉 武

1. 浙江能源天然氣集團有限公司, 浙江 杭州 310052;2. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;3. 西南石油大學石油與天然氣工程學院, 四川 成都 610500

0 前言

伴隨著氣候變化及《巴黎協定》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型推進。世界各國的能源轉型發展主要集中在太陽能、風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具有不穩定性,且難以儲存,因此可解決可再生能源調峰問題的氫能迅速崛起,其具有高效的氫電轉化率、可儲存、單位質量熱值高、燃燒界限寬等特點,被認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展時期,全球已建和擬建的輸送管網數量龐大,因此將H2摻入現有天然氣管網加以利用是近年來國內研究和測試的熱點。通過對全球天然氣摻氫研究現狀、典型項目案例、問題與優勢等方面的探討,認為雖然天然氣管網摻氫目前存在一些問題,但仍是現階段擴大氫能使用及高效運輸氫的一種最好方式。

1 研究現狀

截至2019年底,據IEA數據顯示,全球已有37個示范項目正在研究天然氣網絡中摻氫。研究項目中包括通過天然氣配送網絡摻氫為家庭和企業供熱可行性，測試天然氣網絡摻氫比例對天然氣輸配關鍵設備、材料、終端設備和電器的影響，摻氫天然氣地下儲存的技術和監測要求等。在歐洲,HyReady和HIPS-Net等技術委員會和行業組織正在研究摻氫的標準,而歐盟委員會也在研究氫在天然氣網絡中的作用及相關政策。

在國內，中國石油、中國石化、中國海洋石油、中國國家電投等企業已紛紛展開天然氣管道含氫相關研究工作。最新頒布的中國國家標準GB/T 37124-2018《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》首次規定天然氣中最大允許含氫摩爾分數≤3%;中國能源行業標準NB/T 12003-2016《煤制天然氣》要求產品氣中氫摩爾分數≤3%。

1.1 國外典型項目案例

1.1.1 荷蘭項目

荷蘭Sustainable Ameland項目(2008-2011年)第一次測試了天然氣摻氫的家用性能[2]。該項目通過用同材質建設的通富氫天然氣管道和通純天然氣管道,對比研究富氫天然氣對管道影響。經測算,摻氫體積最高可達到12%。

1.1.2 日本項目

日本三菱日立電力系統公司(MHPS)在2012年開展了體積分數30%氫燃料混合物的大型燃氣輪機測試。其新開發的MHPS專有燃燒器可實現混氫天然氣的穩定燃燒。與純天然氣發電相比,使用30%體積分類的H2混合物,CO2排放量減少了10%。發電效率高于60%。該系統的突出優點是除了燃燒器需要升級,其他設備不需專門改造,從而大幅降低了潛在成本。

1.1.3 俄羅斯項目

俄羅斯天然氣工業公司(Gazprom)計劃逐步提高通往歐洲“北溪2號”天然氣管道中H2份額,減少CO2排放以提升其氣質的競爭力。俄氣進行的試點項目,負責用天然氣裂解制備藍氫工藝,該反應在高壓、低溫,非平衡的等離子體中進行,產生純H2流,碳以固體形式脫落而不是以CO2形式逸出到空氣中。同時俄羅斯國家原子能公司(Rosatom)位于西伯利亞的研究院正在開發一種稱為核電熱解水制氫的工藝。

1.1.4 英國項目

英國首個天然氣摻氫項目,天然氣摻入H2比例達到20%(體積分數)的示范項目2019年投入運行,斯塔福德郡基爾大學向其自有天然氣管網摻入H2,并成功長時間地向100戶家庭和30座教學樓供氣。

1.2 中國典型項目

2019年9月,中國國家電投的北京朝陽可再生能源摻氫示范項目是中國首個電解制H2摻入天然氣項目,實現驗證H2“制取—儲運—摻混—綜合利用”產業鏈關鍵技術環節的目標,填補了中國天然氣管道摻氫示范項目的空白。

2 天然氣摻氫主要技術問題

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、摻氫對管道影響、摻氫對儲運系統影響等方面的技術問題[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。因為不同國家和地區使用的天然氣氣質不盡相同,故而摻氫比例有所差別。英國學者認為,運輸用的天然氣管道摻氫的上限是10%,家用灶具不得高于23%,未經改造的天然氣汽輪機摻氫比例是小于5%[4]。比利時學者通過計算華白數得出,在比利時天然氣摻氫比小于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估和調整。

2.2 摻氫天然氣安全性

歐盟委員會資助的NaturalHy項目(Florisson 2012)對利用現有天然氣管網輸送H2的潛在風險進行了研究。

研究發現,在適當的完整性管理系統到位的情況下,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,氫氣體積分數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、擴散性強,導致混合物在空中更難聚集,其效果比預期好[8]。

在爆炸后果方面,與純天然氣在密閉區域的爆炸相比,含氫少于20%的混氫天然氣在密閉環境中爆炸的嚴重程度相對增加不大[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。

在定量風險方面,與天然氣輸送管道爆炸相比,各氫氣體積分數的含氫天然氣危險程度在空間上具有一致的趨勢:在靠近爆炸點處風險有增加,在遠離爆炸點風險有一定程度減少,英國學者Lowesmith B J給出了添加H2的天然氣管道對個人帶來的風險計算結果,見圖1。

圖1 添加H2的7 MPa，Φ 914 mm天然氣管道對個人帶來的風險曲線圖Fig.1 Risk to an individual by adding hydrogen to the natural gas pipeline of 7 MPa,Φ 914 mm

最后NaturalHy項目的結論認為在低濃度摻氫(<20%)的情況下較普通天然氣的安全風險并未有顯著增加;在中濃度摻氫(<50%，>20%)時,安全風險仍可能是中等;在高濃度摻氫(>50%)時,安全風險顯著增加,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%,保持相同壓力下摻氫會降低氣體的能量含量。IEA數據顯示,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刻保證在100%設計能力下輸送的,由于存在天然氣用氣的波動性為H2管道混輸提供了經濟上的可能,甚至可以增加部分管道輸送的效益。

2.4 天然氣摻氫對管道的影響

從20世紀60年代起,美國和前蘇聯就開始了氫致腐蝕機理的研究,天然氣管道以鋼材為主,摻氫適應性主要表現在氫脆上[12]。國外研究結果表明,在中低壓管道系統中,由于管道運行抗拉強度相對于設計強度較低,因此對氫增強裂紋增長的影響要小得多[13]。在全世界范圍內,過去幾十年中這些運輸純氫的管道均未出現操作問題。更早管道適應性證明甚至來源于18世紀的商業建筑,家庭、城鎮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項目也驗證了其他金屬管道,包括球墨鑄鐵、鑄鐵和鍛鐵以及銅管道,在天然氣運輸系統的供氣終端操作條件下,無需擔心氫損傷。關于氫老化對聚乙烯(PE)或聚氯乙烯(PVC)管道材料的影響,也沒有大的擔憂。大多數用于天然氣管道系統的彈性體材料也可與氫相兼容。但在高壓管道系統中,則提出易于發生氫損傷,另外若未采取合理的焊接措施,焊接時易產生硬塊,氫損傷風險增加。

在國內,中國石油管研院對某在役管道取樣,進行了煤制氣管道含氫對材質的影響和控制措施研究,研究結果表明:H2摻入對X 70管線鋼母材和焊縫金屬的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率、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,低含氫煤制氣不會影響管材的承壓能力。

中國海洋石油新能源研究院進行了H2腐蝕天然氣長輸管網模擬實驗。結果表明,H2含量為16.7%時,12 MPa 輸氣壓力工況下,使用X 70鋼不會產生氫腐蝕,X 70鋼機械性能也不會發生顯著下降[16]。

中國石化新粵浙管線委托中國石油大學和中國鋼鐵研究總院,對新疆煤制天然氣的氫組分對新粵浙管線管材、管件的影響進行了專題研究。結果表明氫含量≤2%時,對X 80鋼級管材及管件無影響。

2.5 摻氫對天然氣管道系統的影響

綜上，雖然目前可以得出摻入低量H2對管道適應性的威脅被認為較小的結論。但是,配氣系統與輸氣管道差異很大,不可能簡單地將輸氣管道的完整性影響結論套用到分配系統中。管道系統如果分布在人口密集地區,可能需要根據人口密集程度,對火災或爆炸的頻率和嚴重程度進行重新評估。此外,配氣系統的氣體泄漏比輸氣管道更為嚴重,混氫供應系統的適應性管理可能需要新增安裝泄漏檢測傳感器。

利用現有天然氣管道系統來輸送H2并實現安全應用的方案之一，是在最終使用天然氣其之前將H2從混合物中分離出來,管網終端的系統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,采用分子篩的PSA系統可以將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。化學鍍鈀膜是可進一步發展的從天然氣管道輸送的含氫天然氣中分離H2的技術,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,并運行在30～90 ℃間,但獲得的最大H2濃度僅為98%。現在研究的前沿是將鈀膜和CMS膜結合制成一種雜化分離系統,據相關有文獻表明,這種混合系統可能比單純PSA分離更便宜。最新資料顯示中國石油大學發現多孔石墨烯PG-ES薄膜可以替代鈀膜高效將H2從混合氣體中分離出來,將更進一步降低提純系統的成本[19]。

3 天然氣摻氫的優勢

目前，氫能利用主要聚焦在交通領域,特別是氫燃料電池汽車及其配套設施,在工業和建筑領域仍缺乏成熟的應用場景和商業模式。利用現有天然氣網絡摻氫是解決上述問題的有效方案,按照國內目前不足5 000輛示范運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,按照中國氫能聯盟預測50 000輛用車規模估算,用氫量也不到20×104t。而據IEA測算,2019年全球天然氣需求達4.11×1012m3,其中摻入3%(體積分數)氫就可拉動1 100×104t H2消納,若這部分H2主要來自電解槽,電解槽裝機容量需求可達400 GW,這會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 結論

天然氣混合氫一直是全球H2運輸和規模化利用的重要研究方向,對促進氫能產業發展具有重要的意義。對此,從中國國情看,在天然氣進口量持續上升的大背景下,采用可再生能源制得的H2替代部分天然氣有利于降低進口天然氣依存度,保障其能源安全;同時,若能充分利用現有縱橫東西、南北的8.7×104km天然氣主干管網和龐大的支線管網進行低濃度摻氫運輸,不僅可降低H2制備、大范圍運輸的成本,更能有力地促進西部地區可再生能源發展,對推進中國的能源轉型意義重大。