一、HCNG优势

 

　　HCNG（Hydrogen enriched with Compressed Natural Gas）又名Hythane，是天然气掺氢燃料的简称，它是将氢气与天然气按一定比例混合而得到的代用气体燃料，是“浅氢燃料”的一种。因为氢气燃料自身的燃烧速度比较快，而且其经过燃烧之后会完成变为水，这属于其基本燃烧特征。当氢气和天然气之间进行混合之后，不仅能够有效加强天然气整体燃烧速度，还可以在很大程度上降低碳的排放量，这就表明其具有很高技术性优势。

 

 

　　二、研究现状

 

　　天然气管网掺氢是解决碳排放和大规模氢能运输的重要手段，目前国内外对掺氢天然气做了大量研究。

 

　　荷兰Ameland项目将风电氢掺入当地天然气管网，氢气掺入体积分数高达12%。法国“GRHYD”项目将可再生能源制得的氢气掺入天然气中供加氢站和居民使用，掺氢体积分数最高达20%。英国HyDeploy项目证明了可以安全地将氢气混合进天然气供应系统，无需更改设备和相关干扰因素。俄罗斯正在研究如何在欧洲开发氢气市场，通过绿色工艺将天然气转化为氢气。

 

　　我国研究还处于起步阶段，但已开展多个试点项目，如2024年11月25日，潮州首个陶瓷梭式窑天然气掺氢燃烧试验研究科创项目成功点火，实现了掺氢比为32%条件下的稳定运行；2024年9月，浙能集团在平湖市天然气门站实施的国内首次城镇燃气高比例掺混氢气燃烧和氢气分离试验，成功验证了3%至30%比例氢气掺入天然气燃烧及终端再分离技术的可行性。

 

　　三、HCNG互换性问题

 

　　氢气通过注入到天然气管道中作为掺氢天然气输送，在终端用户可考虑不进行天然气氢气分离而直接使用。然而现有燃具是根据一定的燃气成分设计的。如表1所示，氢气与天然气主要成分甲烷在密度与燃烧特性等方面存在明显差异，因此掺氢天然气在燃烧时燃具上的热负荷、燃烧速度等燃烧性能在不同氢气浓度下与现使用天然气均不相同，因此存在掺氢天然气的互换性问题。

 

　　表1氢气和甲烷在101.325kPa，0℃时的性质参数

性质	氢气	甲烷
相对密度	0.06953	0.5548
高热值/MJ/m³	12.1	37.78
最小点火能/MJ	0.02	0.29
燃烧极限	4%-75%	5.3%-15%
爆炸极限	18.2-58.9%	5.7%-14%
最大燃烧速度/m/s	3.46	0.43

 

       研究表明，多数天然气系统部件能适应10%添加量的氢气，燃气式家用灶具氢气添加量需小于23%，天然气汽轮机适应氢气掺混需小于5%，但经过整改的燃气轮机能适应5%~10%的掺氢比例。

 

　　四、天然气管网掺氢的安全性问题

 

　　1.爆炸和火灾风险：

 

　　氢气具有较宽的爆炸极限和较低的点火能量，这增加了爆炸和火灾的风险。然而，由于氢气的扩散性强，在空气中很难聚集至爆炸浓度范围，因此在实际应用中，这种风险可能相对较低。

 

　　尽管如此，仍需采取严格的安全措施，如增设安全监测设施、加强安全巡检等，以确保掺氢天然气的安全使用。

 

　　2.氢脆现象：

 

　　氢气对金属材料具有劣化作用，可能导致氢脆现象的发生。这可能对天然气管道和设备的完整性构成威胁。为降低氢脆风险，需要选择合适的管道材料、控制氢气分压和流速等。

 

　　研究表明，高压输送采用软钢管道可降低氢脆发生概率，低压输送推荐使用PE管道。

 

　　3.燃烧稳定性：

 

　　掺氢天然气在燃烧时可能表现出与常规天然气不同的特性，如火焰传播速度的变化等。这可能对燃烧设备的稳定性和性能产生影响。

 

　　各类燃烧器具因其自身燃烧能力的差异，所能承受的掺氢比也有所不同。因此，在掺氢时需要认真考量掺氢天然气的替代性和掺氢对于燃烧效能的潜在影响。

 

 

　　五、安全措施与建议

 

　　为确保天然气管网掺氢的安全性，需要采取以下措施：

 

　　1.严格控制掺氢比：根据燃气设备的适应性和安全性要求，严格控制掺氢比在一定范围内。

　　2.选择合适的管道和设备材料：选择对氢气具有较好抗腐蚀性的管道和设备材料，以降低氢脆风险。

　　3.加强安全监测和巡检：增设安全监测设施，实时监测掺氢天然气的浓度和泄漏情况；加强安全巡检，及时发现和处理潜在的安全隐患。

　　4.进行安全评估和培训：

 

　　对掺氢天然气的使用进行安全评估，确保符合相关标准和要求。对操作人员进行安全培训，提高他们的安全意识和操作技能。

 

　　总结：天然气管网掺氢作为解决碳排放和氢能运输的手段具有明显优势，但互换性、安全性和设备适应性等方面的问题仍需进一步研究。国内外已有多个示范项目正在进行相关研究，但产业发展仍面临公众认知度低、输送量降低、掺氢比例限制以及安全和成本等问题。未来需要加强研究，完善标准和规范，推动掺氢天然气技术的商业化应用。

 

END

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