利用天然气管网混输氢气的可行性初探

2022-09-12

氢气, 无色无味, 密度0.0698g/cm3, 相对分子质量2.0158。常温下不活泼, 但在高温时或催化剂存在时非常活泼, 常用作为合成氨、甲醇、油品加氢等工业产品的生产原料, 以及氢能源汽车燃料等。氢气是最清洁的燃料之一, 也是最重要的化工合成原料之一, 可以从一次能源通过转换而来, 是优良的能量载体。

由于环保的要求, 全球炼油厂越来越多地使用加氢处理工艺提高油品等级, 预计未来几年全球氢气消费量将以年均3.5%的速度增长, 到2018年将超过3000亿立方米。氢气的应用领域众多, 石油炼制行业仍然占较大比例, 但化工原料和工业氢需求增速更快[1]。

1 氢气的输送方式

氢的储运有主要有三种方式可供选择, 即高压钢瓶、液态、管道方式, 而近年来新出现的金属吸附、微球储运等方式, 由于技术还不成熟, 尚在研究中。

高压钢瓶输送和液态输送, 运输灵活, 只适合间断性、小规模的氢气用户。对于大规模的氢气用户, 最可行的方式是管道运输。氢气的长距离管道输送技术的应用已有60余年的历史, 在工业发达国家已有一定规模;欧洲大约有1500km输氢管道, 法国和比利时之间建有世界最长的输氢管道, 长约400km, 美国现有的氢气管道长约720km, 全球氢气管道输送已具规模。

虽然国际上氢气输送管道技术已经比较成熟, 但建设成本和运营成本较高, 且氢气管道之间未形成网络, 无法形成灵活的调配。因此, 利用发达的天然气管网混输氢气, 对提高氢气的输送范围, 以及氢气生产企业的调配效率有重要意义。美国得克萨斯州休斯敦/阿瑟港地区就是利用一条225km长的天然气管道进行氢气的输送。

2 天然气管道混输氢气可行性

氢气的性质和天然气差别较大, 分子质量和密度只有天然气的八分之一。因此, 必须对氢气混输时对天然气管道的各种影响因素进行分析。

(1) 氢脆的影响氢脆的影响。美国机械工程师协会颁布了世界上第一套氢气管道标准ASME B31.12中提到, 氢脆是对氢气管道材料工作性能影响最突出的因数之一, 金属材料的氢脆是指氢进入金属后, 材料局部氢浓度达到饱和时, 会引起材料塑性下降, 产生裂纹或断裂的现象, 在碳钢和低合金钢的炼制、焊接过程以及表面腐蚀中, 氢原料都有可能溶于钢铁中, 而这些溶入钢铁中的氢原子会导致金属产生粒间或晶间开裂, 以及无征兆的裂断[2]。

氢脆会改变管道的机械性能, 例如钢铁的氢脆现象会加速微小裂缝的破裂。一般这方面的风险很难具体计算, 可通过复杂的试验得出相关结论。因为它不仅与管道的材料有关, 还涉及到管道的运行年限。通常管道的压力越高, 使用年限越久, 氢脆的风险越大。

为了降低天然气管道的氢脆风险, 通过一些处理可以削弱氢脆的危害。氢气通常在95℃以下发生, 当温度上升至230℃以上时, 金属中的氢原子可被有效去除。因此, 只要钢材中没有物理伤痕, 氢脆是可以逆转的。如电镀件去氢都是在200~240℃的温度下, 加热2~4h可将绝大部分氢除去。

(2) 渗透的影响氢气的渗透。由于氢气密度小, 渗透率远大于天然气, 所以输送氢气的管道会产生氢气损失。渗透强弱主要与管道材料有关, 在铸铁管和纤维水泥管道中, 氢气渗透风险很大, 但对天然气管道常用的X80、X100管线钢, 渗透量较少, 但仍需加强阀门、法兰等接口处的密封处理[3,4]。

(3) 压力的影响由于氢气密度小, 若不改变压力降, 天然气管道的输气能力有较大幅度下降。因此, 为保证管道的输气功率, 氢气加入后, 往往需要更大的压力降运行, 需要根据氢气的掺混比例, 适当提高管道的输送压力[5]。

(4) 热值的影响氢气的热值仅有天然气的三分之一, 氢气加入后, 等体积下, 混合气体的热值必然趋于下降。考虑到氢气的下游用户主要将其作为工业原料, 作为燃料使用的用户较少, 因此, 两种气体分离后, 并不影响用户对热值的要求。

3 结语

氢气的渗透率高和氢脆现象的存在, 使得输送氢气和天然气的混合物对管材及其处理的要求特别高。对于现阶段的天然气管道设计而言, 要尽可能地考虑在管材上要加强对氢脆现象的防护处理, 加强对管道损伤、裂缝的探查和处理。对管道的焊缝要提出更高的要求, 使其对氢脆现象有更强的防护能力。一旦将来要用现有管道输送氢气和天然气的混合物, 就必须对管道重新进行缺陷检测、修复和更新。

摘要：利用天然气管网混输氢气, 可以提高氢气的输送范围, 以及氢气生产企业的调配效率。天然气管网混输氢气, 需要高度重视氢脆和渗透的影响, 应加强管材的表面处理和设备的密封性。

关键词：氢气,天然气管道,氢脆,渗透