控制阀行业前瞻：从化石燃料转向氢能经济

控制阀行业前瞻：从化石燃料转向氢能经济

根据美国阀门制造商协会在德克萨斯州休斯顿举办的首届氢气阀门峰会，来自各行各业的演讲者纷纷关注和介绍了 在全球范围内淘汰化石燃料转向可再生能源 ，特别是氢解决方案时面临的机遇和挑战。

许多专家表示，必须加快脱碳的步伐以实现世界领导人提出的减排目标。美国的目标是在2035年前实现电力网络的脱碳，按照目前的速度，与2020年相比，美国需要三倍的整体发电能力。每年太阳能和风能的部署必须是当前速率的四倍，而且还需要安装20万公里的新高压输电线路。而在2022年，美国仅建造了675英里的线路。

氢气的碳足迹不仅仅是生产环节的问题。在将原料转化为氢气的过程中会消耗能源，同时也包括压缩或液化氢气以及通过卡车、铁路或管道运输的过程。液化可以使氢气的存储和运输更加高效，因为 液态氢比气态氢密度高出853倍，仅占据其气态体积的1/600 。

这使得储存和运输更加高效，并消除了在不可行的情况下新建管道的需要。液态氢可以在需要时再转化为气体以供能源使用。在世界转向非传统化石燃料和更绿色的能源解决方案时，考虑氢气生产的全部影响时必须考虑所有这些因素。

但是，生产并不是可再生电网的唯一障碍，间歇性、储存、许可、发电和传输能力、电网连接、劳动力以及从投产到产出的时间等因素也都需要考虑。 目前电网和基础设施的组件在氢气服务中的行为表现均在实践中接受测试，包括冶金研究、泄漏测试和温度测试，因为氢气需要在极低的温度下运输。 虽然组件通常与氢气兼容，但仍有很多需要学习的地方。

控制排放

目前估计，美国超过40%的排放来自电力产生的热量，特别是在大规模和非导电应用中，这些应用不适用于当前的技术。即使实现了完全脱碳的电力网络，高温应用也需要更快和更有效的脱碳解决方案。为了解决这个问题，需要一种不会排放二氧化碳或其他温室气体的加热燃料，而清洁氢气提供了一个非常有前景的选择。

世界各地的公司都在探索脱碳和减少温室气体排放的各个方面。那些致力于清洁氢气并在向基于氢的能源来源（无论是电力网络还是车辆）迈进的公司正在取得重大进展。

绕过对基础设施和可再生能源的依赖，可以生产氢气和固体碳，通过分布式生产避免运输成本，Modern Hydrogen是引领这项技术发展的公司之一，有兴趣的读者可以查询该公司的相关技术内容（ 该公司官网地址： modernhydrogen.com ）进行了解。

现场转换为绿色氢气

得到了比尔·盖茨的风险资本支持、NextEra Energy和 National Grid等公用事业公司以及工业公司的支持，Modern Hydrogen正在证明通过甲烷热解生产氢气不仅是可行的，而且还产生了有价值的副产品。这个过程为采用该技术的公司创造了新的收入来源。

天然气的热解今天就可以实现，并不需要大量的新基础设施或投入。它可以利用现有的天然气基础设施。如今，天然气的使用量相当于煤炭、核能、太阳能、风能和氢能的总和。值得注意的是，天然气本身大约含有80%的氢。

天然气（甲烷）、可再生天然气（RNG）或生物气通过现有天然气管道输送到现场的氢气生产单元，在那里，气体被加热直至分解成固体碳和氢分子。碳以固态形式从系统中移除并可以出售给其他公司用于沥青等用途，而氢则被输送用于终端应用，其中一小部分被循环回系统以维持其运行。

Modern Hydrogen的模块化甲烷热解单元相对较小，大约有一个货柜的大小，可以放置在现场设施中以产生用于工业过程能源工厂、商业蒸汽锅炉或交通加油中心所需的能源。

来源：Modern Hydrogen

这项技术也可以更早地应用于天然气分配过程中。例如，在美国俄勒冈州，由Modern Hydrogen技术产生的氢气在西北自然气配送中心被混入燃气输送管线，并通过波特兰现有的基础设施输送给企业和家庭。考虑到美国各地已经部署了超过2万亿美元的天然气资产，这些Modern Hydrogen系统可以很容易地融入现有系统中。

生产氢气的其他技术

另一种用于从天然气生产氢气的技术是蒸汽甲烷重整（SMR）。这些项目由下游碳氢化合物工业公司启动，旨在去除二氧化碳并降低温室气体排放。

变压吸附法（PSA）是另一个过程，它通过两个并行操作的吸附床来分离废气中的氢气，其中一个床净化废气，而另一个床则进行再生。根据Emerson的说法，PSA单元可以生产出纯度高于99.9%的高纯度氢气。

变压吸附系统用于氢气分离的流程图

来源：Emerson

一旦提取出氢气，通常会在低至-425°F (-254°C)的温度下将其液化以便运输。在这样极端的低温下，材料可能会变得脆裂并导致氢气泄漏，从而产生逃逸排放。

美国电力研究所（EPRI）目前正在与世界各地的多家公用事业公司合作，开展一系列氢气研究和示范系统，以测试整个过程。到目前为止，他们已经发现，在燃气轮机燃烧系统中可能需要调整的部分包括：燃料喷嘴；涂层，基于新的火焰结构；衬套和过渡件的长度和直径，基于氢气火焰速度；以及燃烧室的压力下降，这可能需要改变以适应更新后的性能和涡轮冷却要求。

EPRI 指出燃气轮机燃烧系统中可能需要调整的部分 来源：EPRI

组件的测试与认证

正如预期的那样，各种行业团体和标准组织正在开发新的测试或修改现有的测试，以适应用于氢气服务、运输和储存的组件。其中包括ASME、MSS委员会针对严苛和特殊服务阀门的标准，包括低温测试和有关氢氟酸服务的新标准。

这些标准和建议目前处于委员会审议阶段，并且正在进行测试和审查。Compressed Gas Association作为美国整个行业的会员公司，并与监管机构、规范制定者和国际标准机构合作提供技术指导。他们的安全氢气项目已经制定了一系列至今为止的指南和法规，旨在确保氢气的安全储存、处理和运输。

氢气的种类

目前有多种方式来描述和定义今天生产的不同类型的氢气。通过颜色来表示生成最终氢燃料的过程，业界至少已经确定了几种颜色——绿色、蓝色和灰色——但也出现了其他的颜色描述。三菱重工业公司创建了一个颜色轮盘，展示了氢气颜色分类的扩展性质，以及每种“颜色”是如何产生的。

控制阀关注氢能经济未来

尽管我们还需要学习很多关于如何将经济转向以氢气作为化石燃料替代品的知识，但已经有很多知识和技术被开发并且正在被证实。

像Modern Hydrogen这样的公司正在寻找客户安装它们的热解技术，朝着创建自己的清洁能源工厂迈进。Emerson 和 Flowserve 是两家大型阀门制造商，它们除了生产其他产品外，还投入了大量资源来测试现有部件并开发新的部件，这些部件对于氢气服务被广泛采用至关重要。国内控制阀行业也有少数厂商关注并开始重视该行业的技术进展和产品开发。

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