碳中和背景下天然气掺氢应用与关键技术研究

0 前言

相关科学数据表明，工业革命以来人类的大规模活动所造成的CO

排放是影响当前全球气候变暖的重要因素

。

联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）在《2020年排放差距报告》中指出：“控制碳排放、达成碳中和是控制全球升温的关键。”截至2021年4月，全球已有100多个国家正式通过、宣布或承诺在21世纪中叶左右实现净零排放目标

。2021 年国务院政府工作报告中指出，扎实做好碳达峰、碳中和各项工作，制定2030年前碳排放达峰行动方案，优化产业结构和能源结构

。氢能因其无碳化、可再生的属性，将在未来的能源应用领域内具有先天优势和广阔的运用前景。

基于我国当前对于氢能运用研究发展现状，总体来说，氢燃料电池汽车是最受关注的方向，也是建设氢能社会和提高公众对氢能接受度的着手点

。但天然气掺氢也应是氢能利用的重要方向之一。天然气掺氢技术的研究与发展，可对现阶段氢气运输、氢能的广泛及规模运用开拓更多的可能性，对于整个氢能产业的发展以及我国能源利用的低碳化、清洁化进程具有推进意义

。

1 天然气掺氢的应用前景

1.1 掺氢天然气的基本性质

掺氢天然气是指将一定比例的氢气注入到天然气中与天然气混合形成的一种混合气体（HCNG）。

天然气的主要成分是甲烷，表1

给出了常温常压下氢气和甲烷的主要性质对比。氢气具有密度小、爆炸区间范围宽、最小点火能量低、火焰温度高、扩散系数大等特点。因此，掺氢天然气和常规天然气的物性、燃爆特性都存在一定差异，具体差异大小取决于掺氢比。通过调配不同比例的掺氢天然气，也可优化原单一气体的燃烧特性。一般地，掺氢天然气混合物的物性、热力学状态参数等均可根据常规天然气的计算方法进行计算

。

IG战队在LPL联赛当中一路势如破竹，让大家看到了他们的勇气和实力，最终为中国赢下宝贵的冠军荣耀。这一役，IG战队不仅展现出了惊人的实力，更意味着，我们在这一年里所取得的荣誉，并非是虚妄和运气。

1.2 天然气掺氢的适用场景

天然气掺氢相关应用技术在2000 年之后开始被深入研究。IEA数据显示，截至2019年，全球各国有37个示范项目正在研究天然气网络中掺氢

。全球多个国家包括日本、荷兰、德国、法国、俄罗斯等均有天然气掺氢的项目案例，研究方向包括对民用、工业的供热，混合气体对关键设备、材料、终端设备电器的影响等。

在长句的翻译中，分译法是最频繁使用的处理方法。汉语是意合的语言，是由一个个语义完整的小句组成的。为了使译文更加清晰，经常需要使用分译的方法。分译法的核心原则就是将汉语长句根据意思划分为两个或者两个以上的意思层次，再将这些意思层次逐句译出来7。通过分解原文，原本冗长复杂的句子变成了短小简单的句子，这样译者就会得心应手。

天然气掺氢燃料通过管网至家用灶具燃烧使用也被认为是改善城镇燃气质量与烟气排放的有效途径之一。罗子萱

测试与验证了对于12 T 基准天然气掺氢比例及混合气在家用燃气具上燃烧的安全性能与排放性能。研究结果表明,在低于20%体积分数的掺氢比例下，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，烟气排放指标满足标准要求，并且随着氢气的体积分数增加，烟气中CO与NO

排放量有所降低。

氢气的运输时连接上游制取、下游运用的关键环节，目前根据氢气的储存状态的不同，主要有气氢储运、低温液氢储运、有机液态储运和固氢储运四种方式。

秦锋等

综述了氢燃料燃气轮机技术研究现状。国内外学者及三菱、通用、西门子、安萨尔多等主要燃机厂商均对掺氢燃料用于燃机开展研究、试验和示范应用工作（见表2），并已取得一定的技术突破和少量的实际应用经验，也分析指出燃氢电厂在未来电源结构中将起到重要的储能调峰作用。

运输成本是氢能发展的一个重要关注点。图1可反映气态和低温液态储运成本与距离关系。

在小于270 km 的距离内，管束车是比较经济的储运方式，且氢能发展初期，用气量小，基本可满足使用需求；当更远距离运输，低温液态相较于车载气态会有明显优势；气态管道运输是运输成本最低的，但管道铺设难度大，初投资成本高。结合我国当前液态、固态储氢处于商用不成熟阶段或储存功耗成本高以及目前氢能使用主要为气态形式这些现状，在氢气规模化运用初期，采用天然气掺氢形式，借用原有天然气管网系统是解决长距离、大规模运输值得探索的道路。

汽车材料除了钢铁、铜、铝等金属材料外，还有很多非金属材料，如塑料、橡胶、皮革、纺织品、高分子材料、粘结剂等。这些非金属材料释放的有毒有害物质最多，因此应该尽可能的选用无污染或者低污染的环保材料以降低车内空气污染的可能。

天然气掺氢工艺中，混氢是重要的一步。氢气和天然气混合工艺主要有定压配比系统和在线混合系统两种

：

2)交通

燃油汽车排放是污染城市空气的重要来源之一。因氢气具有不同于天然气的特性：燃烧速度快、着火范围较宽等，一定比例的掺氢天然气运用于发动机中使用具有节能减排的优势，能够使发动机性能大为提高，可改善燃烧特性，发动机的动力性、排放性均有明显的改善

。研究表明，在天然气中掺混20%的氢气，发动机热效率可提高15%，经济性提高8%，污染物排放降低60%～80%

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我院2004－2016年3种非发酵革兰氏阴性杆菌耐药性分析…………………………………………………… 李祥鹏等（6）：790

在我国，诸多高校企业单位都已开展对于天然气掺氢领域的相关研究工作，但我国天然气掺氢技术在工业及民用领域的相关产业政策、技术标准及规范几乎为空白，仅有中国标协的团体标准《天然气掺氢混气站技术规程》（征求意见稿），对储氢总容量不大于8 000 kg 的、掺氢比例不超过20%(体积分数)、掺氢天然气压力不超过4 MPa 的天然气掺氢混气站的设计、施工、验收及运行维护进行了具体规定

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上海舜华新能源系统有限公司

对天然气氢气的混合气体加气站及加注方法等进行了相关研究，可实现高精度氢气及天然气的实时可调比例混合加注。加气站含天然气供气系统，氢气供气系统、混气加气机、数据采集与监视控制（SCADA）系统。其中混气加气机集成混气和加气功能，可根据指定混合比例进行加注，避免了常规先混气后加注流程中出现静置分层的可能性。目前一般混合气含氢比例小于30%，采用压力比例相对较小的氢气优先加注后再进行高比例压力的天然气加注的方式。使用控制系统精准调节氢气与天然气加注比例，相较于常规将氢气、天然气降至指定压力再混合的方案，减少了能源浪费。

同时，天然气掺氢发动机的改造可在原CNG车船基础上改动，结合气体原料成本，相对于纯氢发动机的推广使用也更具有经济可行性，值得在车、船等交通领域探索。

3)燃烧（民用燃气具及工业锅炉）

近年来，我国多个城市的氢能产业发展规划中都特别提及了天然气掺氢，掺氢天然气可借鉴天然气技术基础，探索更多的可能性，有望在今后的储能运输、交通、燃烧、发电等场景得以运用。

1)储能运输

氢气混合比例不超过20%(V/V)的掺氢天然气作为家用燃气具的气源，在国际上也已经积累了超过20 年的试验研究经验

。起止于2007 年12 月至2011年4月的荷兰“可持续的埃姆兰”项目，验证了掺氢天然气在家用炉灶、锅炉上可安全燃烧使用，也为掺氢天然气的家用电器等方面使用积累了实践经验

。国内，国家电投集团建设了国内首个“绿氢”掺入天然气输送应用示范——辽宁朝阳天然气掺氢示范，项目将可再生能源电解水制取的“绿氢”与天然气掺混后供燃气锅炉使用，已按10%的掺氢比例安全运行1年。2021年10月天然气掺氢示范项目现场成功在民用燃气具上使用掺氢天然气点火

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王珂等

针对天然气掺氢燃烧技术在燃气锅炉的最佳掺混比开展数值模拟研究，以小火焰燃烧器为研究对象，计算了在空气氛围、恒定过氧系数、不同甲烷掺混氢气比条件下，掺氢比对燃料燃烧温度、燃烧速率、主要污染物排放浓度的影响。计算结果表明，随掺氢比增加，燃烧温度上升、燃烧反应速率加快，炭烟和CO 的浓度与排放总量均降低，NO

的浓度上升，但排放总量先减小后增大。结合我国城镇燃气的燃料互换性规范及工业污染物排放标准，得出最佳掺氢比为23%。

4)发电

在氢能源工业应用领域内，燃氢燃气轮机是“全球使用可再生能源在2050 年实现无碳-氢能社会”的关键因素之一。崔耀欣等

通过对全温、全压、全流量试验研究，分析了天然气掺氢比例对F级重型燃气轮机燃烧器燃烧性能的影响。试验结果表明，当该燃烧器在10%到20%的氢含量范围内，可实现安全和稳定燃烧，并满足排放的要求。

气态储运主要有长管拖车和管道输运，是我国目前最常用、最成熟的储氢技术，但缺点是体积储氢密度较低。低温液态储氢具有能量密度大、加注时间短等优点，但氢气液化系统能耗大、成本高，储罐绝热要求高，技术难度大，初次投资成本高，液氢目前也主要运用在航空航天领域。有机液态储氢（LOHC）利用氢气与有机介质的化学反应来储运，有机氢化物稳定性高、安全性好、储氢密度大、设备和管路易保养、储氢介质可多次循环使用，但依然存在脱氢能耗大的问题。固态储氢将氢气吸附于固体材料，目前存在的不足主要是室温下储氢量过低，且吸附材料的制备昂贵，商业化程度较低

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那些年，报刊上发表杂文逐渐多了起来，书市里也能够见到杂文集子，我读了不少，还做了一些剪贴。我的杂文创作也进入了一个高峰期，早已不再为发表而创作了。我曾经在许多省市的日报和晚报上发表过作品，多数是在那个时期以杂文去“敲门”出现的。上海《解放日报》副刊部主任沈扬老师发了我第一篇约稿之后，几年中“每发必中”，可至今我们都未曾见过面。

2 国内外标准体系建设

周锐等

研究了混含氢重整气体后，天然气发动机的THC（主要为CH

）排放量明显减少，与此同时，NO

的排放在各试验扭矩负荷率的范围内也得到了改善，但是CO排放有所增加；掺混重整气体有效地降低了发动机各扭矩负荷率下的循环变动，尤其是低扭矩负荷率下的循环变动降低更为显著，增加了发动机运行过程中的稳定性。

掺氢天然气管道可借鉴GB/T 34542、GB 50251、GB/T 29729、GB 4962、GB 50177 等标准规范中对于天然气和氢气管道的相关要求

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成人参与学习是教育民主化的要求。随着信息社会、知识经济和终身学习时代的到来，成人无论参与正规学习、非正规学习抑或非正式学习，都被认为是促进学习型社会形成的重要元素。特别是基于ICT的成人教育，被更多人视为实现21世纪知识经济所需的全民参与学习的一种重要途径。学习型社会中ICT对扩大成人参与学习具有重要意义。

欧美国家目前已针对纯氢气长距离输送管道设计与建设颁布了若干标准规范，例如, 压缩气体协会的Hydrogen Pipeline System:CGA.5.6、美国机械工程师协会的Hydrogen Piping and Pipelines:ASME B 31.12—2014、欧洲工业气体协会Hydrogen Pipeline Systems:EIGA 的IGC Doc 121/14、亚洲工业气体协会的 AIGA 033/06-2006 Hydrogen Transportation Pipelines 等，但尚未颁布专门针对掺氢天然气管道长距离输送的标准规范

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3 天然气掺氢关键技术研究与应用

3.1 天然气混氢工艺

同时，国际上也广泛认为，天然气掺氢可有效解决“弃风弃光”问题

。多余的弃电通过电解水制取氢气，混合天然气形成掺氢天然气注入新建或原天然气管网再至用户端使用，可起到储能和电力负荷削峰填谷的作用。研究表明，氢气管道的造价约为天然气管道的2 倍多，故该举也同时避免了新建输氢管道所需的高昂建造成本

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近年来，我国城市商业银行的整体满意度不高，从表1可以看出我国城市商业银行的客户综合满意度的竞争力不足，表明国内城市商业银行在客户的整体满意度感知方面的排名还处于较低水平，这也在一定程度上说明城市商业银行在营销和服务工作上做得不够，导致顾客认可度不高，使得银行市场竞争力无法得到质的飞跃。

1）定压配比系统，是利用在密闭容器中两种气体的混合体积比是气体分压比的原理进行混合配比的。通过天然气瓶组和氢气瓶组向固定容积的气瓶充气，测量每次充气的压力，得到所需体积掺氢比，适合要求配比精度低、用量小的试验场所。

2）在线混合系统是随着用气端工况变化，及时准确地提供给定掺氢比的混合气。天然气的流量受用气端控制，并通过精度较高的质量流量计计量管道中天然气的流量，根据测量结果按照所需的掺氢比计算得到氢气流量，然后通过质量流量控制仪或比例调节阀控制氢气的流量，最后通过稳压罐进行混合，从而达到所需掺氢比。此方法配比精度较高。

伏尼契离开书店的时候，已经很晚了。布尔走出书店，叫了一声：“小姑娘，我这儿有两本书，不如你拿回家看吧。”伏尼契瞅了瞅那两本书，其中竟然有一本就是被自己损坏的。她心想，是不是老板看出来了，不然怎么会这么巧呢？伏尼契鼓足了勇气，说：“不了，谢谢叔叔。”说完，她飞一样地跑了。

曼巴扎仓所蕴含的人类医疗经验和思想为当下社会遇到的医疗困境提供了可能的启迪。在讨论医患关系的历史文化根源之前，我们应当感谢医学人类学为人类提供的一个重要洞见：文化塑造了疾痛和治疗。这是一个带有整体论的命题，也是民族医学的基本事实，即文化与医疗不可分割。

3.2 天然气混氢站在国内首个掺氢燃机电厂的运用研究

国家电投湖北分公司荆门氢混燃机示范项目是我国首个氢混燃气轮机联合循环（CC）、热电联供（CHP）示范项目，该电厂为改造项目，设计最高掺氢比例为30%。天然气取自原天然气管网，氢气在初始阶段由气体公司经管束车供气，远期考虑铺设氢气管道输送至电厂。

因氢气快速的燃烧速度与广泛的自燃温度范围，在燃机中使用掺氢天然气易存在闪回的风险（向后火焰分布到燃烧器中）。本项目中燃气轮机氢气含量的最大允许变化率限制为±0.5 vol%/s，压力保持在燃气轮机允许的限度内。因此对于混气站的掺氢精度、稳定性都有较高要求。

本混氢站掺混点位于天然气调压站后。天然气从调压站后管道引出，与氢气经氢气调压撬后管道通过三通进行并气，并气后混合气体进入混合撬进行静态预混，预混后的混合气燃料通入燃气轮机燃料进气主管路（见图2）。

混氢站主要含卸氢部分、氢气调压部分、混氢部分及控制系统。卸氢部分主要是卸车柱的设计，卸氢压力为4～20 MPa，集卸车、吹扫、超压保护于一体，保障安全卸气。调压撬块是将氢气调压至3.2 MPa，采用1×100%运行设计，预留吹扫放空功能，并设置紧急切断系统。混氢部分主要由质量流量计、调节阀、静态混合器等构成，高精度流量计带压力温度补偿，保证氢气、天然气流量的准确性；气动调节阀316 材质，在纯氢介质下能够长期抵制氢脆现象，精度控制在1%以内；静态混合器设计异向扰流器，同时保证掺混罐容积，保证混合气的停留时间，提高掺混均匀性。控制系统主要用于保障氢气混合的精度以及整站的安全运行。天然气根据燃机负荷控制进气流量，氢气管路按照（天然气的流量/70%）×30%（最大）的流量设定值控制阀门开度，天然气流量、氢气流量、混合气的氢浓度与氢气管路的比例调节阀形成闭环控制；混合器下游设置的色谱仪，对混合后的燃料热值和氢气比例进行动态监测，并设定报警，高高报警，氢气比例超限的连锁保护等。

此外，混氢站配备有完善的氮气置换吹扫系统、安防报警系统、安全放散系统，包含紧急切断阀、止回阀、过滤器、安全阀等必要的阀件；放空、排污采用双阀，减少泄漏风险；充分考虑防火间距，保持氢气使用区域的良好通风；所有设备均满足Ex Zone 1 IIB T4；氢气管路材质附件满足GB50516、50177等相关规定，避免氢脆。同时，因氢气的焦汤负效应，氢气在减压节流过程中产生一定的温升，本项目根据计算满足燃机对于气体燃料进气温度要求。

4 结语

氢气作为一种理想的新能源具有广阔的运用前景，我国氢产业化发展处于起步阶段，开展天然气掺氢方面的系统整体性研究，可为氢气社会的发展探索并开启更多的路径。

本文首先通过文献调研，可得出现阶段天然气掺氢在储能运输、交通、燃烧、发电等行业均可以得到有效的运用。但天然气掺氢也处于前期研究阶段，当前国内外在天然气掺氢方面相关标准体系尚未完善。同时，推广天然气掺氢技术，其中的核心问题之一是混氢站的设计，如何安全稳定准确地保障掺混比例。故本文以国内首套掺氢燃气轮机项目中混氢站作为案例介绍，深入探讨了天然气掺氢中核心之一混氢工艺的设计及混氢站在安全运行方面的相关举措。

赵集停住卡车，到了。月亮惨白，竖井天轮一动不动，木材场剩下的原木，被剥光皮，仿佛一堆堆骸骨。紧傍铁路的棚户房，早被拆迁，住家集中到煤矿生活区。看不见喷云吐雾的火车，看不见一个人影儿，荒草窸窸窣窣，一只黄鼠狼像小人一样站起，瞅着两个大活人。何良诸心中惊异，凄凉，沉重！这里，一点点惨淡经营的生产气氛都没有了。

结合当前氢能源利用的现状，大规模推动天然气掺氢的技术应用，仍需各方的不懈努力，建议今后加强在掺氢、输送、用户环节的一些核心问题如掺氢比、混氢工艺，管材相容性、管网完整性、燃爆安全性，终端设备适应性等的技术研究与相关标准体系建立完备，最终促进氢能产业的大力发展，助力实现碳达峰、碳中和的目标。

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