专家解读：天然气掺氢与纯氢管道输送技术研究进展
专家解读：天然气掺氢与纯氢管道输送技术研究进展
随着“双碳”战略的深入推进，氢能作为一种零排放的能源载体，正成为未来国家能源体系的重要组成部分。目前，我国已将掺氢天然气管道、纯氢管道等试点示范列入氢能产业发展中长期规划。近日，《管道保护》编辑部特别邀请了北京控股集团北京市煤气热力工程设计院有限公司道石研究院副院长兼总工程师王洪建博士，就天然气掺氢与纯氢管道输送技术的最新研究进展进行了深入探讨。
氢能产业发展目标与研究重点
氢能是一种清洁、灵活、零碳的二次能源，其开发利用有利于可再生能源的消纳和终端难减排领域的碳中和，对于促进我国低碳能源转型具有重要意义。预计到2050年，全球终端能源的18%将由氢能承担；到2060年，氢在我国终端能源体系占比将达到20%，市场规模将提升10～20倍，预计将新增10万亿级新兴市场。
图1 我国终端能源消费结构预测（来源于2024年中石化技经院《中国能源展望2060》）
《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》明确了氢能的战略定位、目标和主要任务，提出逐步开展掺氢天然气管道、纯氢管道等试点示范工作。规划目标到2025年建立以工业副产氢和可再生能源制氢为主的氢能供应体系，燃料电池车辆保有量约5万辆，可再生能源制氢量达到10×104 t/a～20×104t/a。到2030年形成技术创新体系，支撑我国碳达峰目标的实现，到2035年形成氢能利用的交通、储能、工业产业体系，支撑国民经济绿色转型。
天然气管道掺氢输送技术
天然气掺氢技术对氢能发展意义重大。这项技术的原理是将氢气与天然气混合，通过天然气管网输送到终端用户。该技术具有以下优点：一是有利于能源储存，从而提高可再生能源利用率；二是有利于能源输运，充分利用已有的天然气管网基础设施，实现氢能大规模、长距离、低成本输运；三是有利于降低碳排放；四是有利于保障能源安全。
欧盟、美国、日本、加拿大等从本世纪初就开始了天然气管道掺氢技术相关应用示范研究，并列入到国家氢能规划。截至2023年，全球共开展了50多个示范工程，每年有超过3000吨氢气掺入天然气管网，天然气掺氢比例一般为5%～30%，其中多数国家目前的最高掺氢比例为20%，远期有望逐步达到100%。
我国也非常重视天然气掺氢的研究和应用示范。今年5月份，国家发展改革委发布了《天然气利用管理办法》，指出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作为优先支持类方向。此外，国家科技部已经连续三年立项开展天然气掺氢的全产业链技术研究，稳步构建“氢进万家”示范工程。
2023年，在国家住房和城乡建设部的支持下，中国城市燃气协会牵头、北京煤热院作为主编单位完成了“天然气管道掺氢输送及终端利用研究”大型咨询课题。研究表明，天然气管道经过微小的改造（色谱仪、球罐等），掺氢比10%是安全可行的，高钢级管材在高压下的适应性限制了长输管道掺氢比的提高，同时要关注压缩机、流量计、加臭和气体检测仪的适应性，并加快研发高掺氢比下的色谱分析和泄漏检测方案。
关于天然气掺氢的经济性，研究表明，当前在一定条件下，工业副产氢具备经济可行性，绿氢价格较高，尚不具备经济可行性，需要国家对绿氢采购或掺氢天然气销售等方面给予政策补贴。绿氢价格下降是未来掺氢天然气规模化发展的必然要求，乐观情境下，2026年左右开始进入商业化导入阶段，2042年进入商业化大规模应用阶段。
纯氢管道输送技术
纯氢管道是将气态氢从制氢站输送到用氢单位的管道。国际上纯氢管道运输已有80余年历史，目前总里程超过5000 km，基本由法国Air Liquide、美国Air Products、美国Praxair和德国Linde等四大公司建设。全球最大的氢气管网位于墨西哥湾沿岸的美国，全长965 km，输氢量150×104 Nm³/h。全球最早的输氢管道在德国，全长240 km，管径250 mm～300 mm，运行压力0.2 MPa～2.1 MPa。目前欧洲最长的输氢管道从法国北部一直延伸至比利时，全长约402 km。
欧洲实施的氢气骨干管网（EHB）计划，预计2030年建立一个1.16×104 km 的氢气网络，到2040年将建立一个长达5.3×104 km 的氢气网络，用于连接21个欧洲国家，其中约60%的纯氢管道将由现有天然气管道改造而成。
我国现有氢气输送管道总里程约400 km，已建项目以化工厂区内应用为主。近年输氢管道建设增多，如2022年建成的上海宝冶冶金输氢管道，长3.97 km，年最大输量5040 t。2022年开工的甘肃省玉门油田公司输氢管道，长度5.77 km，管径200 mm，设计压力2.5 MPa，年最大输量7000 t，是国内首个绿氢纯氢管道，输氢能力1×104 Nm³/h。
随着氢能需求规模的增加，我国输氢管道建设开始提速。根据国家氢能产业发展规划，预计到2030年氢气输送管道总里程将近1000 km，高压氢气长输管道建设里程达到3000 km。如中石化京蒙输氢管道，起于内蒙古自治区乌兰察布市，终点位于北京市的燕山石化，管道全长超过600 km，2023年底开始建设，管道一期运力10×104 t/a，预留50×104 t/a的远期提升潜力，是“西氢东送”国内目前规划建设的距离最长、输氢量最高的管道。