天然气掺氢技术在城市燃气管网中的适应性研究

1 天然气掺氢对燃气管网的影响

1.1 材料性能影响

氢气在管道中的应用，会对管道材料的性能产生很大的影响。从机械性质上看，氢分子的尺寸很小，极易渗透到管材中，引起氢脆。这将降低材质的强度与韧性，从而提高管线断裂与渗漏的几率。特别是在压力较大的情况下，氢脆现象更加突出。不同的材料对氢致脆的敏感性各不相同，如碳钢等金属对氢致脆的敏感性较高，而某些新型复合材料表现出良好的抗氢脆能力。从抗腐蚀性能来看，氢的存在将使管线内的腐蚀性发生变化。研究结果表明，氢有可能在钢管表面形成一层氧化物膜，使其失去防护功能，从而加快钢管的锈蚀进程。另外，氢也会影响管线的某些电化学反应，使管线的腐蚀更加严重。不同材料的管材，其耐蚀性也存在差异，例如，不锈钢管材一般比碳钢管材具有更好的耐蚀性。所以，当进行氢气掺入时，应针对具体条件，选用适当的管材，并采取适当的保护措施，才能保证整个管网的安全。

1.2 燃烧特性变化

掺氢后，天然气的燃烧性能有较大的变化。就燃烧速率而言，氢的燃烧速率远高于天然气。在天然气中掺加氢可以明显提高混合气的燃烧速率。这表明，在同样的燃烧条件下，氢气的释能速度更快，燃烧效果也更好。但是，过高的燃烧速率也会引起燃烧不稳定性和爆震等一系列问题。就火焰稳定而言，氢的添加将改变火焰形态与稳定性。在有氢的情况下，由于有氢的存在，火焰会变得更亮，并且火焰蔓延的速度也会变快，从而使火焰更容易离开燃烧器而产生脱火。同时，氢在燃料中的广泛应用，也使其具有一定的回火危险性。

2 天然气掺氢技术在城市燃气管网中的适应性分析

2.1 技术适应性

将天然气掺氢技术应用于城市燃气管网，需要综合考虑掺氢比例、掺氢模式等因素。氢的掺入量是决定天然气管网性能的重要因素，不同的掺氢量对天然气管网性能有很大的影响。如果氢气的掺入量小于 20% ，则不需要大规模的改造，就可以满足已有的天然气管网及设备的需求。由于氢在管道中的含量很少，对管道材料的性能有很大的影响，因此其燃烧性能的变化也是可以接受的，因此，对燃烧装置及操作管理并没有什么难度。但随着氢气掺入量的增大，管道材料氢脆风险增大，且燃烧性能发生显著改变，因此有必要对管网及设备进行相应的改造与升级。就搅拌形式而言，目前的搅拌方法有管内掺混和管外掺混。管内混气方法虽然简便，但很难保证氢与气的充分混合；管外搅拌是一种特殊的搅拌装置，能使搅拌更加均匀，但是要增加设备投资，占用场地。

2.2 经济适应性

天然气掺氢技术在经济上的适用性，涉及建造、运行等多个方面的费用。从造价角度看，如果要大规模推广这项技术，就必须对已有的天然气管网进行改造与更新。比如，管线的某些部位要进行替换或者保护，以解决氢对管线的腐蚀问题，这样就会增加施工费用。另外，搅拌设备、测试设备等设备的购买、安装也是一笔不小的费用。在操作费用上，氢气的制备、贮存和运输费用都比较高。目前，电解水制氢、化石燃料重整制氢等制氢方式均需耗费大量的能源与资源，使得氢的生产成本一直居高不下。另外，为保证掺氢气体的安全性，应加大对掺氢气体的监测、维修次数及费用的投入。但长期而言，随着制氢工艺的发展以及规模化效应的出现，氢的生产成本将会下降。此外，氢气的引入还可以改善燃料电池的使用效率，降低碳排放，从而弥补其前期的投资。

2.3 环境适应性

天然气掺氢会产生良好的环境效应。就碳排放量而言，氢的燃烧仅生成水，而不会制造像二氧化碳这样的温室效应。研究结果表明，在天然气中掺加氢可以有效地降低混合气的碳排放。在部分示范工程中，若将氢气掺入 20% ，则可使混合气体的二氧化碳排放量减少 10%～15% 。本项目研究成果将为我国城市节能减排和应对气候变化提供科学依据。同时，该产品中没有氮氧化物和微粒等有害物质，可以有效地提高大气品质，降低对环境的污染。此外，该项目的实施也有利于提高新能源消纳能力。如将太阳能、风能等可再生资源用于电解水制氢，并将其与天然气混合，可实现可再生能源的存储与传输，从而提升可再生能源的利用率，促进我国能源结构的优化与转型。

3 天然气掺氢技术在城市燃气管网应用的对策与建议

3.1 技术改进方向

提升天然气储氢技术的适用性，其核心是材料的研究与开发。因此，本项目拟在前期工作基础上，重点开展抗氢脆新材料的研发，研制具有优异机械性能和抗氢脆性能的管材，以降低氢脆对管网的危害。同时，对搅拌装置进行了改进，提高了混合气的均匀度，保证了混合气品质的稳定性。在此基础上，进一步完善燃烧装置，使之能与掺氢气在燃烧过程中发生的变化相匹配，从而增强其在燃烧过程中的稳定性与安全性。同时，也需要利用先进的监控手段，对管网中的氢气浓度、压力和温度等参数进行实时监控，以便对可能出现的问题进行检测和处理，从而保证管网的安全稳定运行。

3.2 政策支持措施

国家应该制定一系列的政策，以促进天然气掺氢技术在城市燃气管网中的推广。在补贴上，通过对制氢厂的财政补贴，制氢厂的生产成本得以降低，从而增强了制氢厂的市场竞争力。对实施天然气管网改造、改造的企业给予一定的财政补助，以缓解其经济压力。在标准的制订上，应尽早制订有关氢气掺氢的标准与规范，对氢气的掺氢比例、管材材质要求、安全性测试等进行详细规定，为该产业的发展起到统一的指引作用。同时，要制定相应的激励措施，如对积极应用天然气氢气的企业，在税收上给予一定的优惠，以鼓励更多的企业加入这一行业。

结语：

总之，在我国城镇燃气管网中推广使用天然气，存在着许多问题，但同时也具有很大的发展空间。在技术上，天然气掺氢将对管网的材料特性、燃烧特性等带来不同程度的影响，因此，应在材料选用、设备改进、监控体系构建等方面开展有针对性的技术创新，确保管网安全稳定运行。政策的支持是促进这一技术应用的一个必不可少的因素。通过政府提供的补贴、标准制定和激励措施，可以对企业的成本进行降低，对行业的发展进行规范，激发企业的积极性，促进其在城市燃气管网中的应用。虽然还存在一定的技术难点及政策改进空间，但是，随着研究的深入与技术的不断提高，未来氢能源将会是我国未来城市能源供给的重要发展趋势。本项目研究成果对于提升我国能源利用效率，减少碳排放具有重要意义。

参考文献：

[1]乔佳,郭保玲,马旭卿,等.城市燃气管网掺氢输送关键技术探讨[J].煤气与热力,2023,43(03)：19-22.