氫氣的儲存及運輸一直是限制氫能產業發展的難題,常用的氫氣輸運方式有高壓氫氣卡車運輸、液態氫氣卡車運輸和高壓氫氣管道輸送,對于用戶密集地區,管道輸送的成本最低。而相比于修建專用的輸氫管道,利用天然氣管道輸氫更具經濟性。摻入天然氣的氫氣既可以混合燃燒,也可在使用端進行分離提取,是解決氫氣遠距離輸送的一種便捷方法。
近日,國內首次摻氫天然氣管道燃爆試驗成功,這是我國首次對摻入氫氣的天然氣管道進行的管道泄放噴射火試驗,以及封閉空間泄漏燃爆試驗。這次實驗選用323.9毫米管徑管道,最大摻氫比例為30%,是我國最大尺度的管道摻氫天然氣燃爆試驗。填補了我國長輸天然氣管道摻氫泄放燃爆驗證試驗的空白,為實現天然氣長輸管道摻氫輸送技術自主可控奠定了重要基礎。
氫氣具有燃燒速度快,燃燒界限寬,比熱值小,淬熄長度長等特點,天然氣中摻入氫氣可以改變天然氣的燃燒特性,在民用和工業上均有應用,在民用方面,主要是針對家用燃燒器具,在工業方面,主要用于工廠內大型鍋爐燃燒和發電廠內大型燃氣輪機燃燒。有數據表明,在混燒30%氫氣的情況下,每年可減少超過1.8萬噸二氧化碳排放。
同時天然氣管網摻氫也是解決碳排放和大規模氫能運輸的重要手段。
天然氣摻氫燃氣管道輸送系統主要由三部分組成,包括:采集管線、長輸管線和城市管網。在長輸管線的壓縮機站中,將氫氣摻入天然氣中,混合氣體通過長輸管線輸送至下游供終端用戶使用,或在下游城市門站中將氫氣分離提純,獲得的純氫可輸送給加氫站或供工業使用。
天然氣摻氫技術可行性
我國天然氣主產地集中于中西部及沿海地區,而消費地集中于東部及中部人口密集和經濟發達地區,進口天然氣主要來源于中亞、緬甸、俄羅斯等地,于新疆、云南、內蒙古、黑龍江等地入境。至2015年,我國天然氣主干管道建設約10萬km,城市天然氣管道共43.46萬km,已初步形成了“西氣東輸、海氣登陸、就近供應”的供氣格局。
目前我國天然氣干線管道的輸氣壓力為4~12MPa,材質一般為金屬材料X60~X80和R245~R365等。在4MPa以上的工作壓力下,氫氣有可能滲入到管道中產生氫脆的影響,但我國城市管網的天然氣輸氣壓力一般低于4MPa,且若摻氫比例低于10%,氫氣分壓則小于1Mpa,這時的氫脆問題基本可以忽略。但為保證安全,可對干線管道進行氫脆、燃爆實驗,以便更好地開展工作。
天然氣摻氫安全問題
天然氣的主要成分為甲烷,其與氫氣的物理、化學和燃燒特性有很大差別。天然氣摻混氫氣后混合氣體性質變化很大,主要表現為混合氣體的爆炸范圍增大,燃燒速度變快,最小點火能變低等。此外,氫氣引起的管材氫損傷會導致管道機械性能改變,為安全輸送埋下事故隱患。
摻氫管道面臨的氫損傷問題包括:氫脆、氫致開裂、氫鼓泡等。其中氫脆危害最大,這是一種由機械、環境共同作用引起的一種損傷,是最早發現的氫損傷類型。