混氫天然氣輸氫技術研究進展

發布時間：

2023-02-10

隨著社會的發展，以石油、煤炭等化石燃料為主導的一次能源難以滿足需求。環境污染、溫室效應和化石能源逐漸枯竭，使得尋找新型清潔能源迫在眉睫。氫能是一種清潔的二次能源載體，長期以來受到國內外學者的廣泛關注，其中，安全、高效的氫氣運輸技術是氫能規模化應用的主要瓶頸之一。管道運氫運量大、成本低，但需建設專用氫氣管道。

混氫天然氣的概念最初由LYNCH 等提出，作為內燃機的低碳燃料。近年來，歐美發達國家提出了利用現有天然氣管道運輸混氫天然氣的方案。一方面，該技術使用低碳清潔的混合氣體燃料，可降低天然氣使用產生的碳排放；另一方面，該技術避免了高成本的氫氣管道建設，是一種低成本且高效的氫氣運輸方式，有望成為氫能應用的關鍵引擎。本文對與混氫天然氣相關的制氫、輸氫、用氫等相關技術進行分析。

1 天然氣管道輸氫技術簡介

利用混氫天然氣進行輸氫是指在現有天然氣管道體系中摻入一定濃度的氫氣，形成氫氣−天然氣混合氣體來進行運輸的技術。圖1所示為混氫天然氣輸氫及相關技術線路圖，根據終端用戶的需求，氫氣−天然氣混合氣體既可以作為燃料直接使用，也可以在管道下游分離出氫氣使用。混氫天然氣輸氫技術具有如下優勢：

1) 氫源多元化，可以利用多種來源的氫氣和含氫氣體。

2) 低成本，利用現有天然氣管道設施，可實現氫氣的低成本、長距離運輸。

3) 低碳排放，為廣大用戶提供低碳的清潔燃料。

混氫天然氣技術被認為是一種實現氫低成本輸送的方法。混氫天然氣輸氫技術不僅能提高能源系統的整體利用效率，而且有望結合多種氫能技術，成為邁向“氫經濟”的重要過渡性技術。

2 混氫天然氣的來源

2.1 氣體混合方式

氫氣和甲烷的來源不同，氫氣是二次能源，通過一次能源制取，而天然氣是人工開采的化石能源。目前認為用于管道運輸的氫氣−天然氣混合氣可通過以下3種形式實現：

1) 在天然氣管網上游，將生產的氫氣與開采的天然氣混合后注入。據目前工業國家的天然氣管網體量，即使采用氫體積分數較低的混氫天然氣，也會產生大量氫氣，這將直接帶動氫能工業的發展。

2) 在天然氣管網上游，直接生產氫−甲烷混合氣注入，此混合氣體可來源于甲烷−水蒸氣重整技術生產的氫−甲烷混合氣。另外，生物質制氫技術也有望生產氫−甲烷混合氣體。

3) 在天然氣管網覆蓋地區，因地制宜地利用各種可再生能源制氫，與管網中氣體混合后注入。該方式能夠整合多種可再生能源，推動能源清潔化和效益最大化。

2.2 氫氣的來源

混入天然氣管網的氫氣可來源于3方面：1) 傳統制氫技術生產的氫氣；2) 可再生能源制取的氫氣；3) 工業副產氫和含氫尾氣。

制氫技術根據能量來源可分為化石能源制氫和可再生能源制氫。化石能源制氫是目前主流的工業制氫技術，但產物中存在二氧化碳等溫室氣體，要滿足低碳排放的要求，需采取CO2捕集技術，這樣會顯著提高成本。可在再生能源中，利用水力、光伏、風力發電的電解水制氫以及太陽能催化制氫，這符合清潔能源的發展方向。但由于太陽能、水能和風能受環境、時間、地域影響較大，往往會造成嚴重的“棄光”“棄水”“棄風”等問題。若能將過剩電力直接在發電站進行電解水制取氫氣，并摻入天然氣管網儲存和運輸，則既能解決可再生能源在空間和時間上不連續問題，又能提高可再生能源發電的經濟性。除此之外，在電網用電低谷時段通過電解水制氫，不僅能顯著節約制氫成本，而且能使電網達到“削峰填谷”的調控效果。

生物質能屬于可再生能源。生物質制氫是將有機質的能量轉化為氫氣的方法。制備氫氣的微生物主要包括3類群：暗發酵細菌、光解微生物和光發酵細菌。用于制氫的生物質可來自于城市污水、生活廢棄物等，因此，在環境污染治理方面也具有較強的現實意義。但生物質制氫的產氫效率和能量轉化率偏低，仍有待研究。

甲醇制氫技術是近年受到廣泛關注的制氫技術。生物質提取的甲醇屬于清潔能源。根據張新榮等的研究，甲醇和水在常壓、250℃和催化條件下反應，得到氫氣、二氧化碳和少量的一氧化碳混合氣，經過分離可獲得氫氣。

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