魯仰輝 趙建福 ?,,1)

*(國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司碳中和研究中心，北京 102209)

?(中國科學(xué)院力學(xué)研究所微重力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

**(中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

全球氣候變化是當(dāng)今世界可持續(xù)發(fā)展面臨的巨大而嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，建設(shè)生態(tài)文明社會(huì)，實(shí)現(xiàn)碳中和是應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的重要手段。我國關(guān)于“雙碳（碳達(dá)峰和碳中和）”戰(zhàn)略目標(biāo)的莊嚴(yán)承諾，正是作為一個(gè)負(fù)責(zé)任大國的使命與擔(dān)當(dāng)。氫能作為潛力巨大的清潔能源載體，是我國能源結(jié)構(gòu)由高碳到低碳轉(zhuǎn)型并最終實(shí)現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的重要選擇，甚至是實(shí)現(xiàn)碳中和的終極方案。目前，我國氫能產(chǎn)業(yè)正步入發(fā)展快車道，城鎮(zhèn)地區(qū)用氫需求將不斷提升，如何實(shí)現(xiàn)氫能的規(guī)模化、經(jīng)濟(jì)性和安全輸運(yùn)是制約“氫進(jìn)萬家”的關(guān)鍵問題。

管道輸運(yùn)是實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)化輸送最有潛力的技術(shù)，如果利用已有天然氣管網(wǎng)進(jìn)行少量改造輸氫，更能節(jié)約大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用。因此，管道摻氫輸送很早就得到了歐美國家重點(diǎn)關(guān)注，開展了大量研究和示范工作。中國氫能聯(lián)盟2020年發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》指出，美國有2 500公里的輸氫管道，歐洲已有1 569公里的輸氫管道。在摻氫輸運(yùn)方面，國外研究和示范已開展近二十年。尤其在歐洲，正在開展的荷蘭Ameland、法國GRHYD、英國HyDeploy以及德國DVGW項(xiàng)目均計(jì)劃向天然氣管網(wǎng)最高注入20%（體積分?jǐn)?shù)）氫氣，并研究其對(duì)管網(wǎng)及終端的影響。這些項(xiàng)目著重研究了管道材料與設(shè)備適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性和安全性問題，有力推動(dòng)了氫能在歐洲的發(fā)展和應(yīng)用。

我國氫氣輸送技術(shù)研究和系統(tǒng)建設(shè)較國外明顯滯后，現(xiàn)有氫氣輸送管道總里程僅約400 km，在天然氣摻氫輸送方面起步也相對(duì)較晚。不過，近年來我國持續(xù)加大了投入力度。2019年國家電投集團(tuán)率先在遼寧朝陽建設(shè)了國內(nèi)首個(gè)電解制氫摻入天然氣應(yīng)用示范，摻氫比例目前已達(dá)到10%，并對(duì)管道材料相容性、摻混工藝、安全保障技術(shù)、家用燃具適應(yīng)性等進(jìn)行了研究。2020年河北省在張家口市啟動(dòng)天然氣摻氫示范項(xiàng)目，在“應(yīng)張管線”末站開展摻混應(yīng)用示范。2021年內(nèi)蒙古自治區(qū)在烏海市建設(shè)純氫/摻氫試驗(yàn)平臺(tái)，圍繞純氫與摻氫燃?xì)夤艿垒斔蛻?yīng)用開展關(guān)鍵技術(shù)研究。特別是科技部于2021年在山東啟動(dòng)了“氫進(jìn)萬家”科技示范工程，并在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中啟動(dòng)一系列重點(diǎn)項(xiàng)目，圍繞氫能綠色制取與規(guī)模轉(zhuǎn)存體系、氫能安全存儲(chǔ)與快速輸配體系、氫能便捷改質(zhì)與高效動(dòng)力系統(tǒng)及“氫進(jìn)萬家”綜合示范等開展聯(lián)合攻關(guān)，力爭貫通基礎(chǔ)前瞻、共性關(guān)鍵、工程應(yīng)用和評(píng)估規(guī)范環(huán)節(jié)。

“氫進(jìn)萬家”涉及國家氫能輸配體系發(fā)展規(guī)劃以及氫源供應(yīng)?管道材料?管輸工藝?系統(tǒng)安全?終端應(yīng)用等全鏈條協(xié)調(diào)發(fā)展。借鑒已有研究基礎(chǔ)，深入開展技術(shù)攻關(guān)，爭取在管材相容性、管道連接工藝、管輸工藝、事故特征規(guī)律、系統(tǒng)完整性管理及終端應(yīng)用設(shè)備（如家用燃?xì)饩?、燃料電池等）等方面?shí)現(xiàn)基礎(chǔ)理論突破與完善，開發(fā)關(guān)鍵設(shè)備和軟件，建立標(biāo)準(zhǔn)體系，開展示范驗(yàn)證，積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，縮短我國和國際先進(jìn)水平的差距，推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)的綠色轉(zhuǎn)型，助力“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)，服務(wù)生態(tài)文明社會(huì)建設(shè)，提升我國能源安全與綠色生態(tài)環(huán)境水平，提高國民經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭力和國際氣候治理領(lǐng)導(dǎo)力。

為此，本專欄特邀學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界專家學(xué)者圍繞“氫進(jìn)萬家”相關(guān)技術(shù)方向，交流最新研究成果，分析目前研究現(xiàn)狀，研判未來發(fā)展趨勢(shì)，以推動(dòng)“氫進(jìn)萬家”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，助力我國“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，服務(wù)國家生態(tài)文明建設(shè)。相關(guān)稿件擬分兩期刊出，本期主要內(nèi)容簡介如下：

于子龍等調(diào)研了國際上具有代表性的天然氣摻氫管道輸運(yùn)及終端應(yīng)用研究及示范項(xiàng)目進(jìn)展情況，就天然氣管道摻氫輸運(yùn)的關(guān)鍵技術(shù)、燃燒器終端應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性分析等，系統(tǒng)總結(jié)了相關(guān)的研究成果、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和存在問題，并論證了針對(duì)我國的管路條件、氣體成分等開展深入系統(tǒng)研究的必要性。

“氫進(jìn)萬家，安全第一?！卑踩珕栴}涉及材料、工藝、設(shè)備及系統(tǒng)完整性管理與應(yīng)急維修等方方面面。陳林等評(píng)述了氫環(huán)境下壓力容器及管道材料相容性研究進(jìn)展，闡述了典型氫脆機(jī)理及氫進(jìn)入材料內(nèi)部的滲透機(jī)理，總結(jié)分析了壓力容器和高鋼級(jí)管線鋼氫脆特征，強(qiáng)調(diào)未來氫致失效難題研究應(yīng)關(guān)注熱處理與加工工藝、焊接工藝等，同時(shí)，也需要加強(qiáng)摻氫輸送管道的氫氣濃度閾值研究與控制、針對(duì)新環(huán)境的材料數(shù)據(jù)庫建設(shè)以及適應(yīng)新的服役環(huán)境的材料相容性標(biāo)準(zhǔn)制定等。齊曉琳等實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了高錳鋼預(yù)充氫后在不同應(yīng)變速率下的斷口特征，分析了不同應(yīng)變速率下位錯(cuò)載氫對(duì)金屬材料氫脆行為的影響，發(fā)現(xiàn)較慢應(yīng)變速率下拉伸時(shí)氫可以隨位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，在塑性變形過程中形成更大的氫原子擴(kuò)散距離和脆性區(qū)深度，呈現(xiàn)更高的氫脆敏感性。另一方面，針對(duì)儲(chǔ)氫長管拖車在城市公路隧道運(yùn)輸時(shí)突發(fā)異常狀況導(dǎo)致的氫氣泄漏和燃爆事故，時(shí)婷婷等構(gòu)建了三維事故場(chǎng)景模型，基于隧道內(nèi)氫氣泄漏濃度、沖擊波和溫度場(chǎng)等特性參數(shù)分析，研究了燃爆事故演化規(guī)律和毀傷機(jī)理，為事故防范與應(yīng)急處置提供指導(dǎo)。

“氫進(jìn)萬家，用戶為上?！睋綒涮烊粴怆S已有管網(wǎng)輸送到用戶燃燒利用，是低成本大規(guī)模利用氫能的有效方式之一，因此，適用于摻氫天然氣的高性能家用燃?xì)庠罹哐邪l(fā)與應(yīng)用推廣是打通“氫進(jìn)萬家”最后一公里的關(guān)鍵。江先明和黃遜青從燃?xì)夥诸惻c特性、關(guān)鍵技術(shù)問題、產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)與性能測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建等方面，詳細(xì)總結(jié)了萬和公司近年來有關(guān)摻氫天然氣家用燃?xì)饩哐邪l(fā)的進(jìn)展和經(jīng)驗(yàn)。王天天等實(shí)驗(yàn)研究了摻氫比變化對(duì)燃燒設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的影響，揭示了摻氫天然氣在燃?xì)忮仩t和灶具中的回火特性變化規(guī)律，并基于預(yù)混氣體未燃側(cè)流速和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓榷x了一個(gè)新的無量綱參數(shù)β，定量比較了不同設(shè)備的回火風(fēng)險(xiǎn)。

另一方面，氫質(zhì)子交換膜燃料電池（H2-PEMFC）作為一種將氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的綠色能源技術(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳中和具有重要意義，同樣是“氫進(jìn)萬家”戰(zhàn)略中重要的終端應(yīng)用設(shè)備。李藝彤等針對(duì)H2-PEMFC陰極催化層內(nèi)力–電–化–熱耦合傳遞過程，構(gòu)建了二維、兩相、非等溫團(tuán)聚物模型，數(shù)值分析了電解質(zhì)體積分?jǐn)?shù)和團(tuán)聚物半徑對(duì)電池性能的影響，為提升燃料電池性能（特別是耐久性）及其安全應(yīng)用有著明顯的指導(dǎo)意義。

篇幅所限，“氫進(jìn)萬家”專欄更多論文將于下期刊出，敬請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注。