文/周承商 黃通文 劉煌 劉詠，中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中南大學(xué)學(xué)報(bào)

隨著社會的發(fā)展，以石油、煤炭等化石燃料為主導(dǎo)的一次能源難以滿足需求。環(huán)境污染、溫室效應(yīng)和化石能源逐漸枯竭，使得尋找新型清潔能源迫在眉睫。氫能是一種清潔的二次能源載體，長期以來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，其中，安全、高效的氫氣運(yùn)輸技術(shù)是氫能規(guī)?；瘧?yīng)用的主要瓶頸之一。管道運(yùn)氫運(yùn)量大、成本低，但需建設(shè)專用氫氣管道。

混氫天然氣的概念最初由LYNCH 等提出，作為內(nèi)燃機(jī)的低碳燃料。近年來，歐美發(fā)達(dá)國家提出了利用現(xiàn)有天然氣管道運(yùn)輸混氫天然氣的方案。一方面，該技術(shù)使用低碳清潔的混合氣體燃料，可降低天然氣使用產(chǎn)生的碳排放；另一方面，該技術(shù)避免了高成本的氫氣管道建設(shè)，是一種低成本且高效的氫氣運(yùn)輸方式，有望成為氫能應(yīng)用的關(guān)鍵引擎。本文對與混氫天然氣相關(guān)的制氫、輸氫、用氫等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析。

1 天然氣管道輸氫技術(shù)簡介

利用混氫天然氣進(jìn)行輸氫是指在現(xiàn)有天然氣管道體系中摻入一定濃度的氫氣，形成氫氣天然氣混合氣體來進(jìn)行運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)。圖1所示為混氫天然氣輸氫及相關(guān)技術(shù)線路圖，根據(jù)終端用戶的需求，氫氣天然氣混合氣體既可以作為燃料直接使用，也可以在管道下游分離出氫氣使用?；鞖涮烊粴廨敋浼夹g(shù)具有如下優(yōu)勢：

1) 氫源多元化，可以利用多種來源的氫氣和含氫氣體。

2) 低成本，利用現(xiàn)有天然氣管道設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)氫氣的低成本、長距離運(yùn)輸。

3) 低碳排放，為廣大用戶提供低碳的清潔燃料。

混氫天然氣技術(shù)被認(rèn)為是一種實(shí)現(xiàn)氫低成本輸送的方法。混氫天然氣輸氫技術(shù)不僅能提高能源系統(tǒng)的整體利用效率，而且有望結(jié)合多種氫能技術(shù)，成為邁向“氫經(jīng)濟(jì)”的重要過渡性技術(shù)。

2 混氫天然氣的來源

2.1 氣體混合方式

氫氣和甲烷的來源不同，氫氣是二次能源，通過一次能源制取，而天然氣是人工開采的化石能源。目前認(rèn)為用于管道運(yùn)輸?shù)臍錃馓烊粴饣旌蠚饪赏ㄟ^以下3種形式實(shí)現(xiàn)：

1) 在天然氣管網(wǎng)上游，將生產(chǎn)的氫氣與開采的天然氣混合后注入。據(jù)目前工業(yè)國家的天然氣管網(wǎng)體量，即使采用氫體積分?jǐn)?shù)較低的混氫天然氣，也會產(chǎn)生大量氫氣，這將直接帶動氫能工業(yè)的發(fā)展。

2) 在天然氣管網(wǎng)上游，直接生產(chǎn)氫甲烷混合氣注入，此混合氣體可來源于甲烷水蒸氣重整技術(shù)生產(chǎn)的氫甲烷混合氣。另外，生物質(zhì)制氫技術(shù)也有望生產(chǎn)氫甲烷混合氣體。

3) 在天然氣管網(wǎng)覆蓋地區(qū)，因地制宜地利用各種可再生能源制氫，與管網(wǎng)中氣體混合后注入。該方式能夠整合多種可再生能源，推動能源清潔化和效益最大化。

2.2 氫氣的來源

混入天然氣管網(wǎng)的氫氣可來源于3方面：

1) 傳統(tǒng)制氫技術(shù)生產(chǎn)的氫氣；

2) 可再生能源制取的氫氣；

3) 工業(yè)副產(chǎn)氫和含氫尾氣。

制氫技術(shù)根據(jù)能量來源可分為化石能源制氫和可再生能源制氫?；茉粗茪涫悄壳爸髁鞯墓I(yè)制氫技術(shù)，但產(chǎn)物中存在二氧化碳等溫室氣體，要滿足低碳排放的要求，需采取CO2捕集技術(shù)，這樣會顯著提高成本?？稍谠偕茉粗?，利用水力、光伏、風(fēng)力發(fā)電的電解水制氫以及太陽能催化制氫，這符合清潔能源的發(fā)展方向。但由于太陽能、水能和風(fēng)能受環(huán)境、時(shí)間、地域影響較大，往往會造成嚴(yán)重的“棄光”“棄水”“棄風(fēng)”等問題。若能將過剩電力直接在發(fā)電站進(jìn)行電解水制取氫氣，并摻入天然氣管網(wǎng)儲存和運(yùn)輸，則既能解決可再生能源在空間和時(shí)間上不連續(xù)問題，又能提高可再生能源發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。除此之外，在電網(wǎng)用電低谷時(shí)段通過電解水制氫，不僅能顯著節(jié)約制氫成本，而且能使電網(wǎng)達(dá)到“削峰填谷”的調(diào)控效果。

生物質(zhì)能屬于可再生能源。生物質(zhì)制氫是將有機(jī)質(zhì)的能量轉(zhuǎn)化為氫氣的方法。制備氫氣的微生物主要包括3類群：暗發(fā)酵細(xì)菌、光解微生物和光發(fā)酵細(xì)菌。用于制氫的生物質(zhì)可來自于城市污水、生活廢棄物等，因此，在環(huán)境污染治理方面也具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。但生物質(zhì)制氫的產(chǎn)氫效率和能量轉(zhuǎn)化率偏低，仍有待研究。

甲醇制氫技術(shù)是近年受到廣泛關(guān)注的制氫技術(shù)。生物質(zhì)提取的甲醇屬于清潔能源。根據(jù)張新榮等的研究，甲醇和水在常壓、250℃和催化條件下反應(yīng)，得到氫氣、二氧化碳和少量的一氧化碳混合氣，經(jīng)過分離可獲得氫氣。

表1所示為幾種氫氣生產(chǎn)技術(shù)的成本和特點(diǎn)，其中電解水制氫和化石能源制氫是目前較成熟的工業(yè)制氫技術(shù)。

此外，混氫天然氣技術(shù)對于許多工業(yè)(氯堿、煉焦、合成氨等)的副產(chǎn)氫和甲烷也有較好的回收利用價(jià)值。我國氯堿工業(yè)存在大量的副產(chǎn)氫，2017年我國氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫超過80萬t。這類工業(yè)廢氣通過簡單處理即可注入天然氣管道內(nèi)，從而提高能源效率和經(jīng)濟(jì)效益。

3 天然氣管道輸氫

混氫天然氣管道輸送需要利用現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)設(shè)施，僅通過有限改造即可實(shí)現(xiàn)混合氣體的規(guī)?；斔汀９艿肋\(yùn)輸含氫的混合燃?xì)庠诠I(yè)國家曾得到廣泛應(yīng)用。煤氣是通過煤炭、焦炭或石油等化石燃料與水蒸氣反應(yīng)得到氫氣和一氧化碳的混合氣。早在19世紀(jì)中期，煤氣被用于城鎮(zhèn)的民用燃料，許多歐洲國家建設(shè)了煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)。隨后，因天然氣普及，許多國家如美國、加拿大、奧地利、法國、德國等在20世紀(jì)50年代至70年代間逐步經(jīng)歷了由政府主導(dǎo)的從煤氣到天然氣轉(zhuǎn)型的過程。

近年來，國際上對混氫天然氣的研究日益增多。目前，許多國家正在評估天然氣管網(wǎng)設(shè)施用于輸送混氫天然氣的可行性(如圖2所示，其中，圖中所示限制條件為：德國的壓縮天然氣加氣站沒有連接在管網(wǎng)上；立陶宛的管道壓力大于16×105Pa；荷蘭的使用高發(fā)熱氣體)，英國、德國已開展多個(gè)混氫天然氣示范項(xiàng)目，研究表明，現(xiàn)有天然氣管道輸送混氫天然氣存在可行性。英國HyDeploy 示范項(xiàng)目在基爾大學(xué)現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡(luò)注入20%(體積分?jǐn)?shù))的氫氣，為100戶家庭和30座教學(xué)樓供氣。德國E.ON公司也計(jì)劃將天然氣管道網(wǎng)的氫氣混合率提高到20%。

我國天然氣管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框架已基本形成，天然氣管道輸送技術(shù)成熟。根據(jù)“中國天然氣發(fā)展報(bào)告(2019)”，截止至2018年年底，我國天然氣干線管道總長度達(dá)7.6萬km，一次輸氣能力達(dá)3200億m3/a。由此可以認(rèn)為，我國使用天然氣管道輸送混氫天然氣具有較強(qiáng)的可行性。基于天然氣管道改造和安全性，有2個(gè)問題需要關(guān)注：管道材料氫脆失效和氫氣滲漏損失。

3.1 材料的氫脆

眾所周知，許多金屬材料存在氫脆問題，導(dǎo)致材料韌性降低和疲勞裂紋擴(kuò)展速率增加，從而可導(dǎo)致材料在服役期間失效。在世界范圍內(nèi)，天然氣管道通常使用X70和X80管線鋼，而氫氣管道通常使用X42和X52管線鋼，我國天然氣管道材料主要是鋼質(zhì)。氫脆對不同牌號鋼材的影響不同，但都會導(dǎo)致材料性能惡化。小尺寸零件如螺栓、彈簧、鉚釘?shù)扔捎谄浼庸こ尚蜁r(shí)變形量大，晶粒粒徑小，更容易發(fā)生氫脆問題，對于一些關(guān)鍵連接部件，應(yīng)當(dāng)定期檢測并及時(shí)更換。同時(shí)，氫脆不僅影響管道材料，而且影響氣體壓縮機(jī)、管道閥門中的部件。一些老舊天然氣設(shè)施及新改造的天然氣設(shè)施對混氫天然氣的適應(yīng)性如圖3所示。此外，氫脆容易發(fā)生在管道的焊接部位，在向天然氣管道中注入氫氣前，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化管道的處理工藝。

因?yàn)闅浯嗯c氫氣濃度相關(guān)，為保證輸送混氫天然氣管道設(shè)施的安全，氫氣的濃度應(yīng)控制在較低范圍內(nèi)。張小強(qiáng)等指出，針對在天然氣管道中注入氫氣會對管道產(chǎn)生影響，除了要考慮氫氣體積分?jǐn)?shù)外，還應(yīng)考慮管道氣壓。當(dāng)在天然氣管道中注入氫氣的體積分?jǐn)?shù)小于10%時(shí)，管道操作壓力應(yīng)小于7.7MPa；當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)大于10%時(shí)，管道操作壓力應(yīng)小于5.38MPa。史世杰等的研究表明，體積分?jǐn)?shù)為16.7%的氫氣在12MPa的輸送壓力下，X70管線鋼不會發(fā)生氫腐蝕。美國能源部與可再生能源國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的評估報(bào)告認(rèn)為，美國天然氣體系基本能承受體積分?jǐn)?shù)在20%以下的氫氣?？傮w來說，氫體積分?jǐn)?shù)較低的混合氣與現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)較好地兼容，而采用氫體積分?jǐn)?shù)較高的氣體則需更換部分設(shè)施。

3.2 安全評估與氫氣滲漏損失

氫氣雖然具有較寬濃度的爆炸極限，但氫氣是最小的氣體分子，其擴(kuò)散速度較快。為評估管道失效情況下混氫天然氣技術(shù)的安全問題，NaturalHy項(xiàng)目建立了量化的風(fēng)險(xiǎn)評估模型，推算出輸氣管道附近不同位置的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。在不同直徑的管道中，天然氣與注入了25%(體積分?jǐn)?shù)，下同)氫氣的天然氣在輸送管道不同位置的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)如圖4所示。從圖4可見：對于含25％氫氣的天然氣管道運(yùn)輸，距離混氫天然氣管道較近位置的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)比純天然氣管道附近的略高，而距離混氫天然氣管道較遠(yuǎn)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)比純天然氣管道附近的低。

在運(yùn)輸途中，氫氣在管道尤其在法蘭、密封螺紋、閥門等處容易擴(kuò)散滲漏到外界。雖然氣體在材料中滲漏速率緩慢，一般情況下并無安全隱患，但長期滲漏積累的氣體損失不容忽視。管道材料中，碳鋼相比于塑料如PVC的氫氣滲透率較低。含10%氫氣的甲烷混合氣體在聚乙烯材質(zhì)的PE80天然氣管道中，氫的滲透系數(shù)是純甲烷滲透系數(shù)的4~5倍。相比于天然氣，混氫天然氣在長距離的管道運(yùn)輸過程中滲漏量偏多。研究表明，含20%H2的混氫天然氣在傳輸過程中，氣體的滲漏量是純天然氣的2倍，盡管氣體滲漏會造成一定損失，但這種損失是可接受的。

4 氫氣分離

混氫天然氣本身是一種低碳燃料，可用于直接燃燒獲得熱能或產(chǎn)生電能。以高純氫氣為燃料的燃料電池可以更高效地利用能量，此時(shí)，需要在混合氣體中分離較高純度的氫氣。在此介紹幾種氫氣分離方法，包括變壓吸附法、膜分離法、深冷分離法、儲氫合金分離法和電化學(xué)分離法。這些氣體分離方法用于分離低氫濃度的混氫天然氣還有待驗(yàn)證，目前針對混氫天然氣的氫氣分離技術(shù)的研究仍較少。

4.1 變壓吸附法(PSA)

變壓吸附法(pressure swing adsorption, PSA)的原理是利用吸附材料對氣體組分不同的吸附能力而將氣體選擇性分離。吸附劑填充在吸附床上，當(dāng)混合氣體通入吸附床時(shí)，部分氣體組分會被吸附，而剩余氣體組分則會通過吸附床。相比于其他氣體，氫氣屬于弱吸附分子。變壓吸附法分離氫氣已在化工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，變壓吸附法回收PTA加氫還原反應(yīng)放空氣體中的氫氣，能將氫氣提純至99.5%。變壓吸附法還被用于電解食鹽水氫氣提純。

變壓吸附法分離氫氣一般由3個(gè)基本步驟組成：1) 在較高吸附壓力下，混合氣體通過吸附床，部分氣體被吸附，而將弱吸附分子排出分離塔并予以回收；2) 對吸附劑采用抽真空、沖洗的方法將吸附分子脫去；3) 在吸附劑中通入弱吸附氣體組分(氫氣)使吸附床加壓，以投入下一輪使用。

變壓吸附法分離氫氣具有周期短、循環(huán)壽命長、純度高的優(yōu)勢。變壓吸附法一般用于氫氣占主要組分的混合氣(含少量雜質(zhì)的氫氣)中氫的分離。然而，混氫天然氣中氫氣含量低，甲烷(強(qiáng)吸附氣體)占主要成分，因此，需要對吸附床進(jìn)行反復(fù)吸附和真空脫附，導(dǎo)致工藝復(fù)雜，能耗增加，過程控制難度大。

4.2 膜分離

膜分離技術(shù)利用特殊的薄膜對混合氣體中各組分滲透性不同的性質(zhì)，以膜兩側(cè)壓力差作為驅(qū)動力來分離氣體的技術(shù)，已成為廣泛應(yīng)用的氣體分離技術(shù)之一。

在膜分離混合氣體過程中，以薄膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動力，使氣體中滲透率較高的組分(如氫氣)易于透過薄膜，富集在薄膜的另一側(cè)，而滲透率較低的組分(如甲烷等)難以透過薄膜，留在薄膜的一側(cè)。氫氣分離膜包括陶瓷膜、高聚物膜、分子篩膜、金屬膜。如將鈀制成金屬膜后，分離得到的氫氣純度幾乎達(dá)到100%。鈀基分離膜多用于制備高純氫以及分離氫的同位素。但鈀基分離膜的制備成本較高，民用領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制?；鞖涮烊粴獾臍浜枯^低，采用膜分離法有一定難度。這是由于膜兩側(cè)壓分離差過大，容易壓潰分離膜。而支持型分離膜(supported membranes)通過添加支持體提高膜的機(jī)械強(qiáng)度，可提高分離膜能承受的壓力差。

4.3 深冷分離

深冷分離是指利用不同氣體的沸點(diǎn)差異，在高壓下對混合氣體進(jìn)行降溫液化處理，進(jìn)而達(dá)到分離混合氣體的目的。深冷分離又稱為低溫法或低溫精餾法，發(fā)明于20世紀(jì)初，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于分離空氣中的氧氣。同時(shí)，深冷分離法也是石油化工行業(yè)分離裂解氣的主要技術(shù)之一。

深冷分離技術(shù)要求氣體組元沸點(diǎn)有明顯差異。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氫氣、甲烷、乙烷的沸點(diǎn)分別為252.8，161.5和88.6℃，因此，深冷分離混氫天然氣是可行的。但深冷分離的缺點(diǎn)在于工藝設(shè)備復(fù)雜，能耗大，維修保養(yǎng)不便。

4.4 儲氫合金分離

儲氫合金分離法利用了儲氫合金材料可逆吸放氫的性質(zhì)。首先通入混氫天然氣，使儲氫合金反應(yīng)吸氫，然后，升高溫度使儲氫合金釋放氫氣。其原理是利用其吸放氫中發(fā)生的可逆反應(yīng)：

要使儲氫合金在低氫濃度混合氣體中吸收氫氣，儲氫合金需具有較好的吸氫動力學(xué)性能。另一方面，儲氫合金吸放氫反應(yīng)的焓變與熵變需要滿足范特霍夫方程，這樣，在一定溫度下，才能在混合氣的氫分壓下吸氫，并且加熱后釋放適合壓力的氫氣。采用儲氫合金分離法可制備接近100%的高純氫氣。

天然氣中除甲烷和其他烴類氣體外，一般還存在少量雜質(zhì)氣體如CO2和N2。因儲氫合金材料具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，若混氫天然氣中含有氧化性氣體，則氣體分離過程會導(dǎo)致合金中毒、儲氫性能衰退。因此，混合氣體中的有害氣體需要預(yù)先去除。

4.5 電化學(xué)氫分離

電化學(xué)氫分離(electrochemical hydrogenseparation)是指利用燃料電池的系統(tǒng)，將混合氣體通入燃料電池，在電能驅(qū)動下，使氫氣于陽極反應(yīng)生成氫離子，氫離子于陰極側(cè)與電子結(jié)合生成氫氣，排出高純氫氣?；诘蜏刭|(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的電化學(xué)氫分離裝置最早開發(fā)于20世紀(jì)60年代，目前研究較多的是基于質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，以聚苯并咪唑(PBI)薄膜作為電解質(zhì)的電化學(xué)分離裝置。電化學(xué)氫分離利用燃料電池的逆反應(yīng)，以外加電場作為驅(qū)動力，令電解質(zhì)中的離子定向移動。其原理(見圖5)如下：

混合氣體中的氫氣在陽極經(jīng)過反應(yīng)得到氫離子后，在電場作用下定向移動通過電解質(zhì)，在陰極還原釋放純氫。電化學(xué)氫分離裝置需要外加直流電源以驅(qū)動陽離子定向移動。利用電化學(xué)氫分離裝置分離混合氣體，其優(yōu)勢在于即使是對貧氫氣體，該技術(shù)仍具有較好的分離性能。此外，電化學(xué)分離裝置還具有分離純度高、能耗低、分離效率高的特點(diǎn)。

5 混氫天然氣應(yīng)用

混氫天然氣通過天然氣管網(wǎng)可覆蓋廣泛的終端用戶，作為一種低碳燃料，有著許多應(yīng)用場景和潛在市場。一方面，混氫天然氣可作為燃料供家用燃?xì)饩?、天然氣汽車直接使用；另一方面，混氫天然氣分離后，氫氣可以提供給加氫站、燃料電池發(fā)電設(shè)施。

5.1 家用燃?xì)?

混氫天然氣作為低碳燃料，在部分家用燃具如燃?xì)庠?、熱水器、采暖熱水爐等直接代替天然氣使用。建筑物的燃?xì)庵醒肟照{(diào)系統(tǒng)也可使用混合氫氣的天然氣燃料。表2所示為甲烷、氫氣、汽油的部分相關(guān)理化性質(zhì)對比結(jié)果，氫氣與其他燃料相比，具有點(diǎn)火能量低、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓膬?yōu)點(diǎn)。馬向陽等通過研究發(fā)現(xiàn)，在滿足天然氣燃燒勢和華白數(shù)時(shí)，甲烷中最高摻氫量為23%。羅子萱等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天然氣的摻氫量為5%，10%，15%及20%時(shí)，在多種燃具中進(jìn)行燃燒測試，火焰穩(wěn)定性能達(dá)到要求，燃燒產(chǎn)生的一氧化碳和氮氧化合物含量符合國家標(biāo)準(zhǔn)，且隨著摻氫量提高，煙氣排出的一氧化碳含量降低，同時(shí)，燃具的熱效率提高。

5.2 天然氣汽車

汽車內(nèi)燃機(jī)使用混氫天然氣受到人們長期關(guān)注。LYNCH等提出該思路并開展了研究，發(fā)現(xiàn)混氫天然氣在汽油內(nèi)燃機(jī)中的燃燒性能相似，因此，不需要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行更換。同時(shí)，由于氫氣摻入改變了氣體的理化性質(zhì)，會擴(kuò)寬燃料的稀燃極限，降低氮氧化物(NOx)污染的排放。研究表明，甲烷是一種溫室氣體，以壓縮天然氣作為燃料的汽車存在甲烷尾氣排放的問題，而在天然氣中混入氫氣可以降低汽車尾氣排放甲烷的量，并改善發(fā)動機(jī)燃燒情況。AKANSU等對注入不同比例氫氣的天然氣進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)混氫天然氣作為燃料可以改變內(nèi)燃機(jī)內(nèi)壓力的最大值，減少排氣損失，提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率等。

根據(jù)DIMOPOULOS等的研究，混氫天然氣作為燃?xì)饪梢蕴岣邇?nèi)燃機(jī)在低負(fù)荷和高負(fù)荷狀態(tài)下的熱效率?；旌蠚怏w中氫含量過高可能會引起爆震、功率下降等問題。AKANSU等對混氫天然氣在內(nèi)燃機(jī)中的燃燒進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)使用氫含量約為20%的混合氣體有較好的能效。王磊等發(fā)現(xiàn)，采用混氫天然氣作為天然氣發(fā)動機(jī)的燃?xì)庥兄诮鉀Q發(fā)動機(jī)中燃?xì)恻c(diǎn)火能量高、燃燒速率低的問題。需要指出的是，氫氣的體積能量密度約為天然氣的1/3，因此，混氫天然氣相比純天然氣，在車載儲氣罐中的能量密度有所降低，對汽車行駛距離有一定影響。但總體來說，混氫天然氣作為天然氣汽車的燃料還是具有一定優(yōu)勢。

5.3 燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)是一種質(zhì)量小、功率大、污染小、經(jīng)濟(jì)性高的動力裝置，在歐美各國已作為發(fā)電機(jī)組廣泛應(yīng)用。我國燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用與西方發(fā)達(dá)國家相比存在一定差距，電力系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)主要起到調(diào)峰作用，發(fā)電量占比僅為4%。

采用混氫天然氣作為燃料可以改善燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃燒條件和廢氣的排放情況。根據(jù)SCHEFER等對稀燃條件下不同燃料的研究，向甲烷/空氣混合物摻入氫氣能夠增加OH自由基的濃度，提高火焰的穩(wěn)定性并降低CO含量。根據(jù)RORTVEIT等的研究，向甲烷中添加氫氣進(jìn)行燃燒可以減少氮氧化合物的形成。

燃?xì)廨啓C(jī)在國防、交通、能源等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。燃?xì)廨啓C(jī)采用混氫天然氣作為燃料，可提高燃燒室的燃燒穩(wěn)定性、改善燃燒室中的聲學(xué)情況，以及降低廢氣排放量。

5.4 燃料電池

燃料電池是一種可以將燃?xì)馀c氧氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，因其不受卡諾循環(huán)效率的限制，故具有很高的能量轉(zhuǎn)化效率?；鞖涮烊粴夤艿肋\(yùn)輸中的氫氣、甲烷、混合氣體均可作為不同種類燃料電池的燃料氣。常見燃料電池類型見表3。本文重點(diǎn)介紹固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。

固體氧化物燃料電池具有燃料易得、能量轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)，熱電聯(lián)供能量效率可達(dá)80%以上，受到廣泛關(guān)注。固體氧化物燃料電池可采用氫氣、天然氣、煤氣等多種燃?xì)?，對燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，因此，也可直接使用混氫天然氣。CINTI等研究了使用不同氫含量混氫天然氣SOFC的性能，對比使用純甲烷SOFC發(fā)現(xiàn)，采用混氫燃料具有較高的熱電聯(lián)供轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)減輕了電堆工作時(shí)的熱應(yīng)力和熱沖擊。對于使用混氫天然氣的SOFC系統(tǒng)，目前仍缺少這方面的系統(tǒng)研究。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是以氫氣作為燃?xì)獾娜剂想姵兀涔ぷ鳒囟确秶鸀?0~80 ℃，而高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度可達(dá)200℃。PEMFC具有體積小、無噪聲、便攜的優(yōu)勢，適合作為各種交通工具動力源，同時(shí)，在便攜式電源、不間斷電源、分布式電站有廣闊應(yīng)用前景。氫氣和氧氣在PEMFC內(nèi)發(fā)生反應(yīng)后，直接排出的產(chǎn)物是水，不會對環(huán)境產(chǎn)生污染，是一種非常理想的能源利用方式。PEMFC作為車用動力的潛力巨大，世界各國汽車集團(tuán)如日本豐田汽車公司、德國奔馳汽車公司、韓國現(xiàn)代汽車公司等先后宣布或研發(fā)新一代氫燃料電池車。混氫天然氣技術(shù)有望對燃料電池車的推廣應(yīng)用起到推動作用。未來建設(shè)的加氫站可與混氫天然氣管網(wǎng)直接對接，氫氣經(jīng)過分離后提供給燃料電池車使用。

6 展望

氫能是當(dāng)下備受關(guān)注的清潔能源，目前已有多種有競爭力的制氫技術(shù)，在民用和工業(yè)領(lǐng)域氫氣應(yīng)用也十分廣泛，但氫氣長距離運(yùn)輸面臨諸多難題。

混氫天然氣技術(shù)為氫氣運(yùn)輸提供了新的思路?；鞖涮烊粴庾鳛榈吞既剂?，能夠降低溫室氣體和污染性氣體排放。更重要的是，混氫天然氣的使用能夠提高氫能在能源中的比例，減少對傳統(tǒng)化石燃料的依賴，還有助于擴(kuò)大氫的需求并通過規(guī)模化降低制氫成本，這對氫能在交通、建筑、制造業(yè)和電力等部門的推廣有著重要意義。

混氫天然氣管道運(yùn)輸技術(shù)仍處于早期階段，許多相關(guān)技術(shù)問題有待解決和驗(yàn)證：

1) 管道對氫的耐受性及引起的安全考慮是最受關(guān)注的問題，管道及相關(guān)配件均需要進(jìn)行全面評估。使用較低氫含量混合氣無需大量更換管道設(shè)施且安全風(fēng)險(xiǎn)較低。

2) 在氫氣供應(yīng)上，需要整合新能源制氫、化工產(chǎn)品氫以及工業(yè)副產(chǎn)氫等多種氫源，降低氫氣成本，使混氫天然氣具有競爭力。

3) 雖然混氫天然氣直接用作燃料的情況較多，但若供給質(zhì)子交換膜燃料電池和加氫站，氫氣分離技術(shù)仍有待研究。

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