隨著社會(huì)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)模化應(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。混氫天然氣輸氫技術(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?minus;天然氣混合氣可通過以下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(huì)產(chǎn)生大量氫氣，這將直接帶動(dòng)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(dòng)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。化石能源制氫是目前主流的工業(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(huì)顯著提高成本。可在再生能源中，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(huì)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(chǔ)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。