1. 引言

在全球積極應對氣候變化的大背景下，能源結構的低碳化轉型已成為必然趨勢。氫能作為一種清潔、高效且可持續的二次能源，受到了世界各國的廣泛關注。然而，氫氣的儲存和運輸一直是制約氫能大規模應用的瓶頸。摻氫天然氣（HCNG）技術的出現，為解決這一難題提供了新的思路。該技術將氫氣（H?）按 5% - 20% 的比例混入天然氣（主要成分為 CH?），借助現有的龐大天然氣管道網絡進行輸送，不僅有效降低了碳排放，還極大地提高了氫能的利用率。

但氫氣與天然氣在物理化學性質上存在顯著差異，這使得在終端使用或特定場景下，必須對二者進行高效分離。例如，在一些對氫氣純度要求極高的工業生產過程中，如電子芯片制造，就需要將氫氣從摻氫天然氣中精準分離出來。因此，深入研究摻氫天然氣管道中 H?/CH?的分離技術、設備及經濟性，對于推動氫能產業的健康發展具有極其重要的現實意義。

2. 氫氣與天然氣的分離技術

氫氣（H?）和甲烷（CH?）的分離主要基于其分子大小、吸附性、擴散速率等特性。目前，主流的分離技術如下：

2.1 膜分離技術

膜分離技術的原理是利用氣體分子在膜材料中的滲透速率差異來實現分離。H?分子較小，動力學直徑僅為 0.289 nm，相比之下，CH?的動力學直徑為 0.38 nm，這使得 H?更易透過選擇性膜。在實際應用中，常用的膜材料包括：

?聚合物膜：如聚酰亞胺、聚砜等。這類膜材料成本較低，易于加工，但在選擇性和穩定性方面存在一定局限。

?金屬膜：以鈀合金為代表，對 H?具有極高的選擇性。不過，鈀膜的成本高昂，價格約為￥5000 - 10000/m2。

?碳分子篩膜：具有良好的分離性能和熱穩定性。

膜分離技術具有能耗低、設備緊湊、易于集成等優點，在一些小型加氫站或分布式能源系統中應用廣泛。但為了獲得高純度的 H?，往往需要多級分離，這在一定程度上增加了設備的復雜性和成本。

2.2 變壓吸附（PSA）

變壓吸附技術借助吸附劑對不同氣體的吸附能力差異，通過壓力變化來實現分離。以活性炭、沸石等作為吸附劑，在高壓條件下，CH?被吸附劑吸附，H?則作為產品氣流出；而在低壓環境下，CH?從吸附劑上脫附，實現吸附劑的再生。

該技術能夠使 H?純度達到 99.9% 以上，非常適合大規模的氫氣分離。例如，在大型工業制氫項目中，PSA 技術被廣泛應用。但該技術也存在設備投資高的問題，一套設備的投資約為￥500 萬 - 2000 萬，且能耗較高，這在一定程度上限制了其應用范圍。

2.3 深冷分離

深冷分離技術利用 H?和 CH?的沸點差異進行分離，H?的沸點為 - 252.8°C，CH?的沸點為 - 161.5°C。通過將混合氣體冷卻至特定溫度，使 CH?液化，從而實現二者的分離。該技術適用于高摻氫比（>20%）或大規模的分離場景，如大型天然氣處理廠。

此外，深冷分離技術還可同時分離 N?、CO?等多種組分。然而，該技術能耗極高，設備也較為復雜，需要配備低溫壓縮機、換熱器等設備，投資成本在￥3000 萬 - 1 億之間。

2.4 其他技術

?氣體水合物法：該技術利用 CH?更易形成水合物的特性來實現分離。但目前該技術仍處于實驗階段，距離大規模工業化應用還有一定距離。

?電化學分離：采用質子交換膜（PEM）選擇性透氫，該方法適合小規模高純氫的提取，如實驗室或小型科研機構對高純度氫氣的需求。

3. 關鍵設備及成本分析

3.1 設備組成

3.2 成本對比

值得注意的是，成本會受到氫氣濃度、原料氣壓力、設備國產化程度等多種因素的影響。例如，隨著設備國產化率的提高，設備投資成本有望顯著降低。

4. 技術挑戰與發展趨勢

4.1 當前挑戰

?材料限制：鈀膜成本過高，限制了其大規模應用；而聚合物膜在長期運行過程中，穩定性不足，容易出現性能下降的問題。

?能耗問題：深冷分離和 PSA 技術的能耗在運營成本中占比超過 50%，這不僅增加了運營成本，也不符合低碳發展的要求。

?標準缺失：目前摻氫管道中 H?比例上限多為 10% - 20%，且缺乏統一的行業標準，這給分離工藝的設計和優化帶來了較大困難。

4.2 未來方向

?新型膜材料：研發低成本、高選擇性的金屬有機框架（MOF）膜。例如，部分科研團隊已經在實驗室中取得了階段性成果，有望在未來實現產業化應用。

?混合工藝：將膜分離和 PSA 技術進行組合，充分發揮兩者的優勢，平衡氫氣純度與能耗之間的關系。

?智能化控制：借助 AI 技術優化吸附 / 脫附周期，提高 PSA 技術的效率，降低能耗。

5. 結論

綜上所述，在摻氫天然氣管道中進行 H?/CH?分離時，需綜合考慮氫氣比例、規模和經濟性等因素來選擇合適的技術：

?小規模、低濃度場景：膜分離技術因其能耗低、設備緊湊等優點，成為優先選擇。

?高純度、中大規模場景：PSA 技術憑借其高純度氫氣產出能力，更具優勢。

?超高規模、多組分分離場景：深冷分離技術雖然能耗高，但在處理大規模、多組分混合氣體時具有不可替代的作用，不過需進一步降低能耗。

隨著氫能產業的迅猛發展，分離技術的成本下降和效率提升將成為摻氫天然氣推廣的關鍵支撐。未來，通過產學研的深度合作，有望突破現有技術瓶頸，推動摻氫天然氣技術的廣泛應用，助力全球能源結構向低碳化轉型。