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大慶吸氫氣怎么樣:天然氣管網摻氫的安全性如何現有管道設備是否要更新?混入天然氣再提純氫氣的技術和成本如何?

2023-08-08 10:59:12


  真人經歷!癌癥治療吸氫氣90天,治愈了我4年的精神焦慮長沙人民醫院向敏主治醫生:德國預防癌癥最新方法吸氫氣,請認真對待天然氣管道摻氫,顧名思義,是將可再生能源制備的“綠氫”與天然氣混合,通過天然氣管網輸送到用戶終端,改善天然氣品質,實現節能降碳。天然氣管道摻氫的優勢主要在于四個方面:第一,可實現高效低成本輸送大量氫氣;第二,作為輸氫管道,能夠實現大規??稍偕茉聪{(主要是風光發電的電解水制氫);第三,因天然氣主要成分是甲烷,存在碳排放,摻氫后可降低天然氣利用過程的碳排放強度;第四,我國天然氣大量依賴進口,天然氣摻氫是燃氣資源的有效補充,能夠保障燃氣供應安全。

  那么,對于后續大規模利用天然氣摻氫,需要解決哪些具體的技術問題呢?我們主要從兩個維度開展分析:一方面是摻氫輸送技術可行性,另一方面是終端利用技術可行性。

吸氫機,吸氫氣

  一方面是摻氫輸送技術可行性,主要需要考慮摻氫后的天然氣物理性質、材料的耐受程度以及輸送的工藝設備這三方面。從摻氫天然氣物理性質上看,經過學者研究分析,在摻氫體積比0~20%變化的情況下,隨著摻氫比例增加,摻氫天然氣的臨界溫度與臨界壓力逐漸降低,燃氣物理性質的變化導致外界溫度壓力波動時,與原先設計的燃氣管道輸送時,會發生一些意料之外的問題,影響管道的耐受程度;而從管道的耐受程度上看,如果是金屬管道,摻氫后將引起“氫脆”,管道強度與受力改變,造成管道開裂,如果是非金屬管道,氫氣分子小,容易滲透,長期材料老化也會造成管道泄露失效;從輸送工藝設備上看,輸氣設備工藝中包括不同形式的流量計、調節閥、壓縮機、調壓器、儲氣庫、燃氣儲罐等,由于天然氣摻氫后,摻氫天然氣的物理性質變化,導致原先調節好的輸氣工藝設備不再適用于摻氫天然氣輸送,進而引發諸多問題,還將涉及到工藝設備技術改造再投資。經過一些研究表明,現階段對于城市燃氣管道,如果經過較少改造,摻氫體積比在10%左右基本可行,但是對于長輸管道,由于管道帶有較高壓力,對材料的性質與摻氫天然氣物理性質適配性變化較大,需要針對具體技術情況詳細分析。

  另一方面是摻氫天然氣終端利用技術可行性,主要是天然氣摻氫輸送至居民或商業用戶使用的燃氣灶、燃氣熱水器、燃氣壁掛爐是否會影響熱效率、碳排放這些方面。在燃氣灶、燃氣熱水器、與燃氣壁掛爐的燃燒方面,通過查閱資料,在摻氫比例達到20%(有些資料甚至是30%時),燃燒性能并未產生較大影響,也沒有出現脫火、回火等影響燃燒狀態的現象,由于氫氣更易燃燒,摻氫后的天然氣還能夠在一定限度內提升熱效率(同等質量情況下);在污染物排放、碳排放方面,天然氣摻氫后,能夠有效減少氮氧化物排放(主要原因是含碳燃料不完全燃燒引起的)、降低碳排放(主要原因是天然氣摻氫后含碳量下降)。由上述分析可知,天然氣摻氫后的終端利用技術在天然氣摻氫比例研究范圍內時,總體是可行的,重點需要關注的還是摻氫輸送技術可行性的問題。

  總體上看,天然氣摻氫是利用現有基礎技術設施,在后續實現氫氣大規模利用的一種技術利用方式,需要解決的技術問題主要在摻氫天然氣輸送技術上,從摻氫天然氣物理性質的變化導致管道材料的適配性,進而影響工藝設備的適配性。解決這些實際技術問題后,摻氫天然氣作為清潔能源利用的一種技術方式,還是令人有諸多期待的!

  隨著世界各國各種碳減排政策的出臺,氫能作為一種零碳排放的清潔能源備受關注。安全、經濟的氫氣運輸對氫能產業的發展具有重要意義,而利用天然氣管道輸送氫氣則被認為是一種高效且經濟的方式。

  本文對城市地下HENG管道的泄漏擴散特性進行了數值研究,并根據氣體濃度達到爆炸下限的時間和區域,分析了泄漏的危險程度。同時分析了摻氫比、操作壓力、泄漏孔大小和方向以及土壤類型對HENG泄漏擴散規律的影響。

  本研究主要針對地下管道常見的小孔泄漏,其中考慮了HENG在土壤中的泄漏和擴散過程,忽略了氣體從土壤溢出后在空氣中的泄漏和擴散。究其原因吸氫氣加速老化,城市天然氣管道一般鋪設在道路下。由于道路一般鋪有瀝青,泄漏氣體通常很難從地面大量逸出。而且由于氫氣具有較強的擴散效應,泄漏氣體一般迅速擴散到大氣中,難以在空氣中積聚。

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  城市地下HENG管道泄漏數學模型包括質量守恒方程、動量守恒方程、組分輸運方程和湍流模型。

  采用有限體積法離散控制方程,采用SIMPLE算法(壓力關聯方程的半隱式法)處理壓力-速度耦合。所選模型及離散格式如表1所示。

  可以清楚地看到,在本文所討論的影響因素中,土壤類型對城市地下HENG管道泄漏擴散過程的影響最大。綜上所述,氫氣的爆炸極限范圍更大,比天然氣更容易擴散,需要額外的安全措施,包括泄漏監測設備和升級通風系統,以防止氣體泄漏后可能發生爆炸。

  本文以城市地下HENG管道作為研究對象,對HBR、管道運行壓力、泄漏孔直徑、泄漏方向、土壤類型等因素對泄漏結果的影響進行了詳細分析和討論。

  2.城市地下HENG管道泄漏后果的嚴重程度受多種影響因素的影響,其中土壤類型最為關鍵。

  3.FDT、FDR和GDR的分析表明,對于天然氣管道,如果不考慮氫氣對管道力學性能的影響,摻氫并不是增加城市地下管道泄漏后風險的關鍵因素。

  主要刊發計算材料、計算力學、計算物理、計算生物學、計算化學等領域的計算機建模和仿真的最新學術成果。

  在碳中和背景下,各國政府將天然氣摻氫項目作為氫能應用場景探索大力推廣,在投入增加情況下,全球天然氣摻氫項目蓬勃發展,再次向商業化目標邁進。自2013年以來,全球天然氣摻氫的規模增長了7倍,2020年天然氣管道摻氫規模達到了約3500噸。

  在氫能產業的加持下,天然氣摻氫市場可觀!IEA數據顯示,所有正在推進的天然氣摻氫項目都能落地,其規模將可能增加700多倍,氫氣總摻入量將大于200萬噸。若需要達到2030年全球凈零排放的要求,氫氣總摻入了需要可以達到5300萬噸!巨大的需求缺口,表明天然氣摻氫市場前景可觀,商業化拐點將至!

  歐洲是天然氣摻氫技術和應用的引領者,2004年歐盟早就開啟了一項名為NATURALHY的示范項目;2008年荷蘭開展風電制氫摻入天然氣管網的研。除了管道摻氫之外,科學家和工程師們正在探索了各類天然氣摻氫應用,如HCNG汽車等。

  本次天然氣摻氫商業化項目推廣的重點,在于解決氫氣產業的難題:成本和場景。

 ?。?)氫氣運輸成本高。氫能輸送方式眾多,包括長管拖車、液氫槽車、氫能管道等。目前主要應用的長管拖車、液氫等方式成本偏高,是造成加氫站站售氫氣的主要原因;管道輸送具有運輸體量大、距離遠、能耗損失低等優點,但造價過高,根據文獻資料,目前氫氣長輸管道的造價約30-95萬美元/公里,數倍于天然氣管道價格。

 ?。?)氫氣應用場景不足,新型應用規模較小。根據IEA數據,目前全球范圍內氫氣用量達到9000萬噸,不可謂不多,但對比天然氣約為3.9萬億立方米,約合273000萬噸的用量,又相形見絀。原因是目前氫氣主要應用于化工、煉化等項目,屬于輔助地位,新型應用如汽車等用量較低,總體看場景不足、難以進一步擴大氫氣的應用規模,擴大氫氣的能源屬性。

  天然氣摻氫之所以長期受到關注,正是因為能夠解決這兩大問題:(1)管道運輸方式能夠大幅降低氫氣運輸成本,同時基于現有天然氣管道,減少新管道的資本投入;(2)氫氣直接進入天然氣應用場景,解決氫氣終端應用場景和用量難題,同時也能改善天然氣的燃燒特性,降低碳排放。

  2020年開始,隨著氫能產業快速發展,國內外天然氣摻氫實踐都在加速發展。從趨勢和規模上看,天然氣摻氫正在加速發展,即將進入商業化階段。

 ?。?)國際方面。根據IEA報告,國外摻氫管道基本集中在歐洲地區,其中約60%集中在德國。歐洲其他國家方面,法國GRHYD示范項目正在測試向Cappelle-la-Grand(敦柯克附近)的天然氣管網摻入20%的氫氣;意大利Snam項目驗證了10%的天然氣摻氫管道是安全的;英國HyDeploy示范項目也向基爾大學天然氣管網中注入20%的氫氣(該項目于2020年初全面投入運營)。

  在天然氣短缺價格暴漲情況下,環保意識深入骨髓的歐盟委員會在一項議案提出:“歐盟各國應在天然氣網絡中加入氫氣等低碳氣體,不再簽訂從他國進口延續到2049年后的天然氣長期合同?!边@將打開歐洲天然氣摻氫未來30年的黃金發展空間!除了歐洲以外,其他國家的天然氣摻氫的實踐也在增加。如澳大利亞的管道網絡運營商正計劃向天然氣管網注入5-10%的氫氣;美國加州啟動了一項初始摻氫水平為1%,后續上升至20%的項目。

 ?。?)國內方面。2019年后,在國電投、中石化、國家管網等央企努力下,國內在天然氣管網摻氫項目上取得了突破性的進展。在社會認知、技術積累、行業標準、示范項目和發展規劃等方面均取得了實質進展,帶動了全國部分省市將天然氣摻氫項目列入產業規劃。

  令人鼓舞的是,除了天然氣管網摻氫之外,國內還積極探索了HCNG汽車、摻氫天然氣發電、天然氣摻氫內燃機等應用。其中,摻氫天然氣發電項目在全球都屬于前沿探索領域。

  HCNG汽車時間較早,在2016年就開展了示范;配合國家管網進入天然氣管網摻氫領域,國電投民用天然氣摻氫的成功應用很可能預示著氫氣走進國內普通家庭,這將極大地提高氫氣在能源領域的應用規模。

  雖然天然氣摻氫的固定成本投資較低,由于氫氣介質的特殊性,天然氣摻氫問題也是十分突出。各國對于天然氣摻氫含量的標準、政策的不確定性的最大的阻礙。此外,技術方面也需要繼續加強研究。例如加強管道材料與摻氫天然氣的相容性試驗,充分考慮摻氫引起的泄漏速率加快、可燃范圍增大及燃燒速率加快等影響,全面研究摻氫天然氣的泄漏與燃燒爆炸問題等等。

  概言之,由于天然氣摻氫具備投資成本低,接觸終端客戶多,經濟效益產生快,特別是在技術方面的問題解決以后,未來商業化推廣會相對容易,屬于較早產生商業價值的氫能應用領域??紤]到碳中和背景下吸氫氣雜談,氫能產業的發展前景,作為氫能大規模應有場景之一,天然氣摻氫的商業化拐點將至!

本文作者:吸氫氣

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