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天然气掺氢“潮流”席卷全球氢能运用场景被翻开

发布时间:2022-06-23 10:48:26 来源:m6米乐官网下载

  摘要:“天然气掺氢”扩展了氢气的运用场景。“天然气掺氢”不只能添加天然气的焚烧值;还可以运用天然气管道等根底设备,对现阶段氢气运送、氢能的广泛及规划运用开辟更多的或许性,而且可以大大下降二氧化碳的排放。“天然气掺氢”在为社会脱碳尽力的一起,也面临着一些安全方面和本钱操控的应战。IRENA主张,各国政府应赶快对天然气掺氢管道供给相应补助。

  但氢气太轻,比咱们呼吸的空气还轻11倍。这一特性导致氢气的贮存和运送很困难,也约束了它的运用场景。

  氢气一般可以以两种办法运送或贮存:液体和气体。氢气作为液体保存时,在一个规范大气压下,需求降温到-252.76℃,这将耗费很多动力;将氢气作为气体贮存时,一般需求高压容器。

  这些严苛的要求,无疑会约束氢气作为动力的广泛运用。加上现在根底设备、运送办法等要素的约束,导致氢气的运送和贮存本钱过高,成为氢气在现有动力供给体系中未得到广泛运用的重要原因。

  为了处理这些窘境,扩展氢气的运用场景,人们想出了“天然气掺氢”的办法,这为氢能的扩展运用规模奠定了很好的根底。

  所谓天然气掺氢,是指将必定份额的氢气注入到天然气中与天然气混合构成的一种混合气体(HCNG),是氢能运用的重要方向之一。

  天然气掺氢有一举多得的效益:一是可以改动天然气的焚烧特性,添加焚烧值;二是可以运用天然气管道等根底设备,对现阶段氢气运送、氢能的广泛及规划运用开辟更多的或许性;三是可以大大下降二氧化碳的排放。

  比方依据印度德里一些城市的实验,在公共轿车中,用富氢紧缩天然气作为燃料,在天然气中掺入18%左右的氢气,可以削减高达70%的一氧化碳排放,一起节省 5% 的燃料。

  正因为这些清楚明了的优点,天然气掺氢的“潮流”现已席卷多国。到本年5月,英国、美国、比利时、德国等国家均已发动了天然气掺氢规划。

  本年头,国家电投集团宣告,首个燃气轮机掺氢焚烧演示项目正式投运,全体方案可行性得到验证。在现役天然气机组中添加氢燃料来历,不只可以有用节省天然气用量,确保冬天供暖安全安稳,一起具有活跃减碳效应。

  此外,氢燃气轮机可化解我国天然气紧缺导致的燃机职业展开阻力,有利于推进燃气轮机高端配备制作工业晋级。

  氢能运用形式丰厚,在交通运送、工业、修建等范畴都可运用,包含作为燃料电池轿车用于交通运送范畴,为工业范畴供给清洁的动力或质料等,分布式发电或热电联产为修建供给电和热。

  因而,作为氢能的运用技能之一,掺氢天然气不只在管道运送方面备受重视,在上述其他范畴也有着巨大的减排潜力。

  现在掺氢天然气技能广泛地运用在管道运送方面。天然气管网具有区域广、运送量高、传输间隔长及费用低一级优势,运用现役天然气输配管网与根底设备掺氢运送,可完成低本钱、规划化的氢能供给。

  因为钢材在氢气环境下会发生氢损害,包含氢脆、氢致裂纹、氢鼓泡等,此外在较高的温度压力下还会发生脱碳和氢蚀。其间氢脆(氢原子进入金属晶格内部,使金属材料内部发生裂纹的现象)是展开掺氢天然气管道运送技能的首要安全问题。

  为处理氢运送中这一问题,天然气掺氢运送供给了杰出的处理方案。该体系首要包含在役天然气管道体系、产氢设备、紧缩设备、降压设备、运送设备以及终端设备。

  天然气掺氢运送的作业流程为:经过新式的可再生动力电解水制氢;将氢气紧缩后,存储于储氢设备中;经过降压设备的氢气与稳压后的天然气,氢气流量依据天然气运送量的随动注入掺混设备中混合;运用天然气管道及配套设备进行运送,流经运送设备时需考虑氢气对管道、阀门及焊缝的影响;最终,经终端设备分输给用户。

  现在,世界上没有出台掺氢天然气管道运送体系专用的规范规范,各国天然气气体质量规范中可答应的最大掺氢份额也各不相同,详见下图(特别工况别离为:德国,未与管网衔接的紧缩天然气加气站;立陶宛,压力大于1.6MPa的天然气管道;荷兰,高热值煤气),大多数国家和区域设置的掺氢份额不超越2%,少量设定为4%~6%,德国尽管规则上限为10%,但假如紧缩天然气加气站衔接到管网,则该份额大幅下调至2%以下。

  我国现在缺少专门针对氢气管道的规范,我国天然气管道运送相关的规范规范《煤制组成天然气》(GB/T33445—2017)《进入天然气长输管道的气体质量要求》(GB/T 37124—2018)中,别离规则了混合气体中氢气份额上限不超越5%和3%;两规范别离针对煤制组成天然气和天然气管网,考虑到天然气/煤制天然气出产过程中有氢气,比方焦炉煤气中氢体积分数约50%、甲烷约30%,且氢气含量作为一项重要技能方针,需严厉操控,到达操控和确保天然气/组成天然管网输运安全。可以看出,各国对天然气中氢气含量要求较为严厉,即便是展开了掺氢天然气管道运送相关演示和研发作业的国家,对天然气中可掺氢份额仍然适当慎重,相关规范中规则的掺氢份额上限都未超越10%。

  燃油轿车排放是污染城市空气的重要来历之一。因氢气具有不同于天然气的特性:焚烧速度快、着火规模较宽等,必定份额的掺氢天然气运用于发动机中运用具有节能减排的优势,可以使发动机功能大为进步,可改进焚烧特性,发动机的动力性、排放性均有显着的改进。研讨标明,在天然气中掺混20%的氢气,发动机热效率可进步15%,经济性进步8%,污染物排放下降60%~80%。

  在船运中,船用LNG动力发动机以混烧机和双燃料发动机为主。因为天然气中90%左右的体积分数由甲烷组成,甲烷没有C-C链,因而焚烧根本不会发生碳烟,运用天然气作为燃料能确保船只在下降NOx和CO排放的一起,使SOx排放根本为零,而掺氢天然气能使LNG动力发动机减排才能更上一层楼。

  据研讨标明,LNG动力发动机燃料掺氢可以显着改进一氧化碳排放,因为氢(H2 )不含C原子,运用掺氢燃料将有用下降温室气体的排放;氮氧化物的排放改动不显着;因为H2杰出的着火性,掺氢天然气焚烧速率较快,将有用进步LNG动力发动机的动力性;经过燃料掺氢将使船用LNG动力发动机的优势愈加明显。

  天然气掺氢燃料经过管网至家用灶具焚烧运用也被以为是改进乡镇燃气质量与烟气排放的有用途径之一。研讨结果标明,在低于20%体积分数的掺氢份额下,掺氢天然气在家用燃气具中焚烧的焚烧率、火焰安稳性与烟气排放功能悉数合格而未发现安全性问题,烟气排放方针满意规范要求,而且跟着氢气的体积分数添加,烟气中CO与NOX排放量有所下降。

  针对天然气掺氢焚烧技能在燃气锅炉的最佳掺混比的研讨标明,随掺氢比添加,焚烧温度上升、焚烧反响速率加速,炭烟和CO的浓度与排放总量均下降,NOX的浓度上升,但排放总量先减小后增大。

  在氢动力工业运用范畴内,燃氢燃气轮机是到达“全球运用可再生动力在2050年完成无碳-氢能社会”方针的关键要素之一。据研讨标明,当该焚烧器在10%到20%的氢含量规模内,可完成安全和安稳焚烧,并满意排放的要求。

  此外,土耳其学者们以20%掺氢天然气体系对实践房子光伏体系的影响做了一项研讨,标明掺氢天然气使光伏体系的功率进步14.28%,光伏体系容量的运用量下降。房子的碳脚印削减了67.5%。

  天然气掺氢相关运用技能在2000年之后开端被深入研讨。在碳中和的布景下,各国政府将天然气掺氢项目作为氢能运用场景探究大力推行。截止2019年年头,据IEA数据显现,各国有37个演示项目正在研讨天然气网络中掺氢。

  英国:2020年1月英国演示项目HyDeploy正式投入运营。该项目是英国首个向燃气中注入氢气以供家庭和企业运用的试点项目,用于向基尔大学现有的天然气网络注入高达20%的氢气,为100户家庭和30座教学楼供气。该项目于2018年成功取得HSE答应,在基尔大学展开20%份额的掺氢实验,该项意图掺氢份额现在为欧洲最高。

  意大利:2019年4月意大利公司Snam在南意大利发动了一项天然气掺氢项目,并向该区域的两家工业公司运送了含量为5%的掺氢混合气。2019年末,Snam将该项意图掺氢量翻了1倍到达10%。这意味着Snam每年将向该管道注入70亿立方米氢气。

  德国:2019年8月德国公用事业公司意昂(E.ON)的子公司Avacon方案将其天然气管道网的氢气混合率进步到20%。此外德国天然气网络运营商协会(FNB Gas)曾指出,鉴于德国的天然气根底设备较为完善,氢气适合在德展开,并将敦促政府逐年递加天然气管网归入氢气的份额,如从2021年的1%升至2030年的10%。

  西班牙:2022年5月22日,西班牙第二大天然气分销商Nortegas推出H2SAREA项目,这是西班牙第一个向现有天然气网络注入绿色氢气的国家级演示项目。该公司将向其现有的8000余公里管道根底设备注入氢气,意图是为稳固以氢作为西班牙住所、工业和移动商场的经济脱碳杠杆的位置。

  我国:现在国内首个电解制氢掺入天然气项目——由辽宁省向阳燕山湖发电有限公司接受的国家电投天燃气管道掺氢演示项目已进入实验阶段,实验成功后将建造每小时出产1000立方的氢气出产线。现在已建成每小时出产10立方氢气的出产线,采纳水电解制氢办法,经过把氢气经紧缩、加储、掺混等环节进入天然气管道,实验完毕后将出台一个天然气掺氢的规范,补偿国内空白,把天然气掺氢项目推到商场化去;2021年12月15日,内蒙古科技严重专项 “掺氢天然气内燃机关键技能研发及演示运用” 项目正式发动。该项目施行后,将为我国掺氢天然气(HCHG)内燃机关键技能打破、中心零部件开发、样机研发及工程运用供给技能支撑。

  天然气掺氢在为社会脱碳尽力的一起,也面临着一些安全方面和本钱操控的应战。在运送方面,掺氢使气体的渗漏和焚烧爆破风险添加,且跟着掺氢浓度的添加风险程度也逐渐添加,走漏结果的影响需求依据详细的走漏环境进行剖析。

  但也有观念以为,氢气在空气中的分散系数远大于天然气,这样便不易形成分散后的集合,然后下降了风险性。

  在民用焚烧方面,当氢气参加天然气中导致燃气组成改动时,焚烧工况会改动,这将会影响燃具的功能,乃至或许导致燃具无法正常作业,发生回火现象,带来必定的安全问题。在工业运用中,因为工业焚烧器具有高度多样性的特色,不同类型焚烧器的最大掺氢量各不相同,因而难以对天然气掺氢带来的影响得出遍及定论,也无法对掺氢浓度拟定统一规范。

  此外,多家职业组织进一步表明,现在氢气的出产本钱仍远高于天然气,假如要大规划推行天然气掺氢,政府和企业需求算好“经济账”。依据世界可再生动力署(IRENA)的测算,混掺20%的氢气仅能比单纯运用天然气下降约7%的温室气体排放,而掺氢后天然气供能的本钱却远高于单纯运用天然气。

  IRENA一起指出,因为本钱过高,天然气掺氢还面临着来自其他降碳办法的竞赛,比方,运用碳捕捉与封存(CCS)设备降碳,依照其商场展开速度,本钱将很快降至200美元/吨以下,这将对天然气掺氢降碳发生很大压力。对此,IRENA主张,各国政府应赶快对天然气掺氢管道供给相应补助。

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