氢气归来:富氢天然气的利用前景

                    

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2020年,氢能首次被纳入国家统计局能源统计范围,其背景是氢能的开发和利用首次被写入国民经济和社会发展计划。这是将氢气作为能源进行开发和利用的里程碑事件,将成为中国氢能利用领域发展的动力。
氢能的利用,已经成为近年来全球能源革命的主题。在家用领域,氢气将以新的面貌再次成为燃气的新角色。在天然气中加入氢气获得富氢天然气,可用于替代天然气,能够妥善解决现有燃气管网设施及家用燃气具不适应纯氢气的问题。氢气是当今最适宜作为可再生能源载体的物质之一。它的合理利用,将进一步促进可再生能源利用领域的发展。利用氢气作为燃气,不仅可以有效减少天然气使用过程中的污染物排放和碳排放,同时也有利于优化中国的能源供应结构,增强能源安全性。而且,氢气作为能源利用,也是解决部分工业生产过程中副产品的充分利用和环境污染问题的措施。

氢气重新进入住宅
2019年6月25日,在荷兰罗曾堡(Rozenburg),英国喜德瑞集团制造的一台氢能家用锅炉正式投入运行。这是全球首个将纯氢作为燃料的冷凝式采暖炉用于住宅集中供热系统的实例。按计划,喜德瑞集团在荷兰首次试点投运之时,英国更大规模的实地试验也在同步进行。未来的两年中,喜德瑞还将安装超过400台纯氢锅炉,并将其在欧洲更多国家推广和销售。在日本,为原定于2020年举办的东京奥运会配套的奥运村,安装了约4000套家用纯氢燃料电池热电联产装置,是日本首个大规模采用纯氢燃料社区。按照原计划,在奥运会结束后将作为普通住宅销售。
氢气不是家用燃气领域的新角色,在规模化使用天然气和液化石油气之前的人工煤气时代,家用燃气中富含氢气,其中焦炉煤气中的氢气含量高达60%。自20世纪70年代之后,天然气和液化石油气在家用燃气领域几乎取代了人工煤气。然而,2000年之后,低碳发展趋势使氢气重新进入家用燃气领域。
纯氢气进入现有燃气管网存在一系列的技术问题,而且现有燃气具也不适用于直接将纯氢气作为燃料,所以,将天然气与氢气按一定比例混合而获得的代用气体燃料,成为氢气直接利用的过渡措施。这种富氢天然气(HCNG或Hythan)的使用方式之一,就是直接代替天然气作为家用燃气具的燃料。研究表明,氢气体积浓度为20%的富氢天然气可以直接使用现有的输运管道,管道无需任何改造,现有燃气具使用这些混合燃料,所需的调整工作难度也不大。
2019年9月,国际可再生能源组织(IRENA)在第二届氢能部长级会议期间发布了报告《氢能:可再生能源的前景》,指出天然气基础设施对可再生氢能的作用。该报告称,输送纯氢气的管道在技术上可行并且已经在不同国家成功运行数十年,这些国家包括美国、德国、荷兰、法国和比利时,但是这种管道系统无法满足氢能利用领域快速发展的需求。不过,在许多国家和地区已建成大量的天然气输配基础设施,这些设施可以用来输送氢气,同时作为大规模和低成本的储存能力使用。根据研究结果和实践经验,只要事先对基础设施进行评估,对大多数部件来说,在含量较低时(氢气体积浓度的上限为10%~20%),可以在不做重大技术调整的情况下,将氢气掺混至天然气中并利用这些天然气输配基础设施输送,不需要高额的技术改造投资。
欧洲地区及美国、澳大利亚等国已经进行多年的研究试验工作。IEA数据显示,截止到2019年上半年,全球有37个示范项目正在研究向天然气管网中掺氢。研究项目包括:通过天然气配送管网掺氢为家庭和企业供热的可行性、测试天然气管网掺氢比例对天然气输配关键设备、材料、终端设备和燃气具的影响、掺氢天然气地下储存的技术和监测要求等。2019年9月,作为中国首个电解制氢掺入天然气项目,国家电投集团公司朝阳可再生能源掺氢示范项目第一阶段工程圆满完工。该项目采用集装箱式货车运送高压氢瓶,在使用单位通过掺混设施实现天然气掺氢示范燃烧。

氢气利用的意义
氢位于元素周期表之首,它的原子序数为1,在常温常压下为气态。作为能源,氢有以下特点。
(l)所有元素中,氢重量最轻。在标准状态下,它的密度为0.0899g/L。
(2)所有气体中,氢气的导热性最好,比大多数气体的导热系数高出10倍,因此在能源工业中氢是很好的传热载体。
(3)氢是自然界存在的最普遍的元素。除空气中含有氢气外,它主要以化合物的形态贮存于水中,而水是地球上最广泛的物质。
(4)氢气的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,为142351kJ/kg,是汽油发热值的3倍。
(5)氢燃烧性能好,快速点燃,与空气混合时有广泛的可燃范围,而且燃点高,燃烧速度快。
(6)氢本身无毒,与其他燃料相比燃烧时最清洁,除生成水和少量氨气外,不会产生诸如CO、CO2、碳氢化合物和固体颗粒物等对环境有害的污染物质,少量的氨气经过适当处理也不会污染环境,而且燃烧生成的水还可继续制氢,反复循环使用。
(7)氢能利用形式多,既可以在燃气具中通过燃烧产生热能,在热力发动机中产生机械功,又可以作为能源材料用于燃料电池。
氢气是一种易燃易爆的气体,有一定的可燃范围和爆炸范围,无色无味。人们凭感官无法发觉氢气的泄漏,所以安全性是氢能利用的重要课题。有氢能利用领域的专家指出,氢气甚至比天然气更安全。氢气是世界上已知的密度最小的气体,密度只有空气的1/14。氢气在空气中的扩散速度快,向上扩散速度是氮气的2倍、天然气的6倍。因此,除非受到屋顶、通风情况或充有其他上升气体的场所限制,氢气的特性会防止它聚集在泄漏处周围。事实上,在家用燃气领域,使用氢气浓度达到60%的人工煤气历史悠久,已经积累多年的经验,所以使用最高氢气浓度为20%的富氢天然气,安全问题不会成为障碍。
目前,氢的制取技术路线主要有三种,分别是电解水制氢、化石能源重整制氢和工业副产提纯制氢。其他制氢技术路线,如核能热化学制氢、生物质直接制氢和太阳能光催化分解水制氢等仍处于研究和开发阶段。
(1)电解水制氢
电解水制氢具有绿色环保、生产灵活、纯度高以及副产高质量氧气等特点,但是由于单位能耗高,制取成本受电价影响大,电费约占总成本的70%。若使用火力发电提供的电力制氢,不仅价格高,而且碳排放水平大致为化石能源重整制氢方法的3~4倍。显然,这种方式既没有竞争力也不符合低碳环保的绿色发展要求。因此,电解水制氢的应用主要是针对可再生能源发电的领域,一些地区由于种种原因存在风力发电、光伏发电利用不足等出现的电力过剩现象,可以利用制氢过程进行电力消纳。
(2)化石能源重整制氢
煤制氢历史悠久,中国煤化工制氢的产量在全球最大。其原理是通过气化技术将煤炭转换为合成气体,再经水煤气变换分离以提取高纯度的氢气。煤制氢技术路线成熟高效,可大规模稳定制备,是当前成本最低的制氢方式。天然气制氢技术中,蒸汽重整制氢较为成熟,也是国外主流制氢方式。
(3)工业副产提纯制氢
工业副产氢气主要分布在钢铁、化工等行业,提纯利用其中的氢气,既能提高资源利用效率和经济效益,又可降低大气污染,改善环境。中国是全球最大的焦炭生产国,焦炉煤气中氢气含量为54%~60%,利用提纯工艺可以获得高纯度的氢气。此外,烧碱、甲醇、合成氨等化工产品的生产过程也副产氢气,都可以利用提纯工艺获得高纯度的氢气。
氢气的合理利用可以替代化石能源。当氢气作为可再生能源的载体时,它的使用就具有低污染、零碳排放的特征。由于不少可再生能源利用过程的可控性问题比较突出,需要利用储能措施解决,氢气可以成为一种优良的载体。风力发电、太阳能光伏发电不稳定,所以很多地方已经建成的风力发电站、光伏发电站获得的电力没有得到充分利用。另外,这些电力很难输送到电网,目前中国每年有1000亿度电因此不得不弃用。这一部分电能用于制氢,成本低廉且无环境影响,大概每年可以制取氢气224亿立方米。
煤制氢的规模化应用是煤炭清洁利用的主要发展方向。这对于面临“富煤贫油少气”能源结构问题的中国,无疑是实现能源安全和能源独立的重要途径。中国每年煤气化制氢产量在1000万吨以上,天然气制氢在300万吨以上,但是这些氢气不是作为能源而是主要用作工业原料,如合成氨生产、燃油加氢等。利用工业副产重整制氢,既解决了环境污染控制问题,又实现了资源的有效利用。据统计,中国目前工业副产氢的规模约为1000万吨/年。据国际氢能源委员会预测,2050年氢能源需求将是目前的10倍,占终端能源消费量的比例超过15%,对全球二氧化碳减排量的贡献度达到20%。采用氢气与天然气混合使用的富氢天然气方案,对现有的燃气管网以及家用燃气具影响小,易于实施。

氢气的使用方式
近期,欧洲多国启动的富氢天然气应用计划,基本上是在以往20年研究试验成果的基础上开展的规模化应用试验。自2000年开始,欧洲地区已经陆续启动了一系列的研究验证工作。其中,在荷兰埃姆兰岛的富氢天然气社区应用试验比较有代表性。该社区共有14户居民,利用天然气管道供应富氢天然气,氢气浓度从5%逐步提高到20%,氢气来源从简单到复杂。2007年12月到2008年12月期间,富氢天然气中的氢气来自瓶装氢气;2008年12月之后,氢气来自现场电解制氢装置,制氢的电力来自岛上的太阳能光伏发电系统。
试验项目中使用的全部燃气具,包括燃气采暖热水炉和燃气灶具等,均为按使用天然气制造的常规燃气具,在投入运行前需通过氢气浓度达到30%的富氢天然气相容性检测。经过几年的试验,燃气输送管道和燃气具均能够正常使用,没有出现使用寿命受到不良影响的情况。燃气具基本的燃烧性能,如点火、回火、泄漏、火焰稳定性等试验全部通过标准要求。检查燃气采暖热水炉的控制系统的运行记录,没有使用富氢天然气相关的故障,检查包括燃烧器、点火装置、火焰电离检测器、热交换器、气阀、冷凝水排放、配件和密封件,也没有发现与氢有关的缺陷或污染。由于天然气中加入了氢气,CO2、CO和NOx的排放量均有所下降。燃料变化造成的影响,包括燃气采暖热水炉中,用于燃烧状态监控的离子电流检测装置的参数相应发生了变化,需要根据燃料变化进行修正。同时,由于氢气的单位容积热值较低,燃气具运行的耗气量相应增加。
2017年,英国基尔大学启动为期6年的Hydeploy项目,这是英国第一个向燃气管网注入氢气的示范项目,同时也是英国天然气及电力市场办公室(Ofgem)有史以来最大的天然气创新项目,由基尔大学联合当地天然气运营商Cadent、NGN以及相关企业、机构合作进行。Hydeploy项目包括3个单独的试验,将氢气浓度为20%的富氢天然气分别混合到基尔大学的专用管网,以及NGN、Cadent的天然气管网中,目标是到2023年,氢气生产商能够像现在的生物甲烷(沼气)供应商一样向天然气管网注入氢气。经过约18个月的前期工作,证明了当前的燃气管网和输配送设施能够在不进行大规模改造的情况下采用氢气浓度为20%的富氢天然气。2019年9月,基尔大学展开第一次试验,将氢气加入校内天然气管网中,向100个家庭和30个教学楼提供富氢天然气。但是,作为金属还原剂,氢气具有强还原性,加入燃气管网中时,部分老旧金属管网需要被替换为塑料等新型材料。余下两项试验将分别于2020年、2021年在英国东北部的NGN管网及西北部的Cadent管网进行,每项试验规模约为700户家庭,届时将同样提供混合20%氢气的富氢天然气。
中国现行的城镇燃气标准中,天然气12T的回火界限气中氢气浓度为23%,所有使用天然气12T的家用燃气具在进入市场之前,均必须通过使用该试验气的测试。而且,相关要求与欧盟燃气指令(GAR)是一致的。近年来,中国的大学、研究机构、企业也陆续发布了在富氢天然气应用方面的研究成果。其中,国家燃气用具质量监督检验中心和中国市政工程华北设计研究总院有限公司联合发布的研究成果较有代表性。研究成果显示:天然气中加入氢气后,由于热值的降低,在12T燃气具上使用时会出现热工性能偏差的问题,但不会改变燃气具在能效方面的表现,因此天然气中加入氢气在常规的天然气类家用燃气具上可以直接使用,不存在明显改变燃气具安全、能效和技术性能等既有状况的现象;同时,不同气源天然气的华白数与热值不同,考虑气源的普适性,确定天然气中掺入氢气含量应不大于20%。

氢能利用政策
国家统计局在2019年11月印发的《能源统计报表制度》中要求,氢气和煤炭、天然气、原油、电力、生物燃料等一起,纳入2020年能源统计。这是国家首次将氢气纳入能源统计。按照国家统计局现行的制度标准,氢气参考的折标系数为4.361吨标准煤/万立方米,也就是1万立方米氢气折合成4.361吨标准煤。
2020年5月28日,第十三届全国人民代表大会第三次会议批准了《关于2019年国民经济和社会发展计划执行情况与2020年国民经济和社会发展计划草案的报告》,批准了2020年国民经济和社会发展计划,在着力培育壮大新动能方面,将制定国家氢能产业发展战略规划,作为2020年国民经济和社会发展计划的主要任务之一。这是氢能源首次被写入国民经济和社会发展计划范围。
欧盟委员会于2020年7月8日发布了《欧盟氢能战略》和《欧盟能源系统整合策略》,其中《欧盟氢能战略》是为了在一体化的能源系统中,更好地支持工业、交通、能源生产等领域的脱碳进程。这一战略的重点是主要依靠风能、太阳能生产可再生氢能。欧盟委员会称,氢能开发分3个阶段进行:第一阶段(2020~2024年),在欧盟境内建造一批单个功率达100兆瓦的可再生氢电解设备。2024年前,全欧的可再生氢制备总功率达到6千兆瓦,年产量超过100万吨。第二阶段(2025~2030年),在继续加大可再生氢制备产能的基础上,建成多个名为“氢谷”(Hydrogen Valleys)的地区性制氢产业中心。通过规模效应以较低廉的价格为人口聚集区供氢,这些氢谷也是未来“泛欧氢能管网”的骨架。第三阶段(2030~2050年),重点是氢能在能源密集产业的大规模应用,典型代表是钢铁和物流行业。为了实施氢能源战略,欧盟委员会也在7月8日当天宣布成立“欧洲清洁氢联盟”。该联盟由相关产业领导者、民间机构、国家及地区能源官员和欧洲投资银行共同发起,旨在为氢能源的大量生产提供投资,满足欧盟国家对清洁氢能的需求。
此前,欧洲多国已经陆续发布了氢能发展计划,其中英国的计划规模较大。英国国家电网公司管网服务运营商(ESO)预计,到2050年,英国将有1100万户家庭使用氢气取暖,而目前使用天然气的家庭只有这个数字的一半。ESO在其年度《未来能源展望》中指出,利用氢能来为家庭供暖和为汽车提供动力,将在英国实现严格的气候目标的努力中发挥至关重要的作用。为了将全球变暖限制在世界可接受的水平,氢能将在整个供热、运输和工业工程中被广泛使用。家庭用能也需要变得更加高效,如采用适当的供暖系统,包括电动和燃气辅助式热泵,以及节能住宅改造将使得使用的能源较目前减少26%。
富氢天然气作为家用燃气一种新的类别进入市场,虽然在技术层面没有重大问题,但是一些具体的细节仍然需要妥善处理。在法规和标准层面,已经纳入CCC监管制度范围的家用燃气具,认证细则也需要进行相应的修订,燃气技术标准需要对富氢天然气基本特性予以具体明确的规定,包括为该气种规定一系列的试验气要求,燃气具的燃气安全、燃烧性能和能效测试条件等也需要进行修订;对于燃气具制造企业而言,需要对该气种在燃气具使用过程的各种细节进行全面深入的研究和开发工作。

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