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天然气掺氢技术仍需爬坡过坎
举报2020-12-22 09:31:04 来源:中国能源报

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日前,中国标准化协会【2020(289)号】文件批复了《天然气掺氢混气站技术规程》的立项申请,由城镇基础设施分会暨北京城市管理科技协会组织实施编制工作。本标准适用于天然气掺氢混气站工程的设计、安装、验收、运行和维护。在业内看来,标准的制定和实施将有利于我国天然气掺氢技术的发展和应用。

  天然气掺氢被认为是实现节能减排和规模氢能运输的重要手段,但这一技术路线仍面临着高成本、高风险以及大众认知度低等因素的制约。

  节能环保效益显著

  近年来,天然气掺氢逐渐成为氢能领域研究热点,我国多个城市的氢能产业发展规划中都特别提及了天然气掺氢。

  业内专家表示,要想做好天然气掺氢,有两个基本问题需要厘清,第一为什么要掺,第二怎么掺。

  据了解,掺氢天然气可用于天然气内燃机或作为日常燃料直接使用。将氢气与天然气按一定比例混合而得到的代用气体燃料,是“浅氢燃料”的一种。“由于氢气具有燃烧速度快、燃烧界限宽、比热值小、淬熄长度长等特点,天然气中掺入氢气可以改变天然气的燃烧特性,减少其燃烧量。”氢云链氢能产业分析师杨东川解释说。

  而当掺氢天然气用于内燃机时,还能产生显著的节能环保效益。清华大学汽车安全与节能国家重点实验室博士生导师马凡华给记者算了一笔账:假如在天然气当中掺入20%体积比的氢气,燃烧后氮氧化物、一氧化碳、未燃碳氢都可降低50%以上。从燃料特性来讲,掺氢天然气是一种环保的燃料。

  另外,根据测试,当内燃机在稀薄燃烧排放综合测试循环工况下,采用天然气掺氢可节能7%-10%。国六天然气发动机采用掺氢燃料,在典型工况下效率可提升5%-14%,所有排放指标则降低30%以上。

  掺氢比例讲究多

  虽然天然气掺氢具有节能环保效益,但是怎么掺决定着最终的效果。其中,掺氢比例是关键。

  西安交大教授刘银河认为,日常天然气掺氢的极限,取决于天然气管道的适用性。“在现有的民用或工业天然气管道掺氢,受管道本身的影响,最多只能掺3%的氢,一旦超过3%,就有发生‘氢脆’的风险。”

  杨东川认为,实验过程中,在天然气管道运输氢的场景下,掺入17%以内的氢气不会对管道产生影响;当天然气作为交通燃料和工业炉燃料时,掺入20%氢气能达到国IV要求。

  在车用内燃机领域,国内做了大量的天然气掺氢比对研究,发现天然气掺氢后,发动机的动力性能并不会降低。“基于这一前提,20%的掺氢比例最佳,但是,这不是一个绝对数。目前认为,车用内燃机的燃料掺氢比例区间为15%-25%。”马凡华说。

  马凡华解释称,事实上,掺氢比例需要根据发动机负荷转速的变化来调整,从而实现发动机动力性、经济性和排放指标的综合最优。

  缺乏理化基础数据

  作为一种新型混合燃料,掺氢天然气缺乏理化基础数据,仍处于“摸着石头过河”的探索阶段。

  杨东川指出,目前,国内于天然气管网掺氢的范例极少。由于氢气介质的特殊性,其面临的问题十分突出。在技术方面,需加强管道材料与掺氢天然气的相容性,充分考虑掺氢引起的泄漏速率加快、可燃范围增大及燃烧速率加快等因素,还需全面研究掺氢天然气的泄漏与燃烧爆炸等问题。

  针对天然气掺氢在内燃机上的应用,马凡华认为,虽然目前天然气掺氢并不适用于燃料电池汽车系统,但有必要将天然气掺氢的内燃机研发、车用发电全产业链示范等列入“十四五”重点研究计划中。这将有助于实现氢能汽车燃料动力系统和燃料的多元化,而不仅仅是局限于质子交换膜氢燃料电池系统。

 

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