在全球能源體系低碳轉(zhuǎn)型的浪潮中，天然氣作為清潔高效的化石能源，正面臨著進(jìn)一步降低碳排放的強(qiáng)大壓力。在此背景下，天然氣摻氫與天然氣摻氨兩種技術(shù)路徑應(yīng)運(yùn)而生，成為傳統(tǒng)天然氣向零碳能源過(guò)渡的重要橋梁。本文將從技術(shù)特性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)境影響、應(yīng)用場(chǎng)景等維度，對(duì)這兩種技術(shù)進(jìn)行全面對(duì)比分析，為行業(yè)技術(shù)路線選擇提供參考。

1 引言背景：能源轉(zhuǎn)型中的雙軌路徑

隨著雙碳目標(biāo)的深入推進(jìn)，中國(guó)能源結(jié)構(gòu)正經(jīng)歷前所未有的變革。2025年1月1日正式實(shí)施的《中華人民共和國(guó)能源法》首次將氫能納入國(guó)家能源管理體系，彰顯了氫基能源在未來(lái)能源格局中的重要地位。在這一背景下，天然氣摻氫和天然氣摻氨作為兩種備受關(guān)注的天然氣低碳化利用技術(shù)，正在全球范圍內(nèi)開(kāi)展示范與應(yīng)用。

天然氣摻氫技術(shù)是利用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)設(shè)施，將一定比例的氫氣摻入天然氣中進(jìn)行輸送和利用的技術(shù)。根據(jù)國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心的報(bào)告，我國(guó)天然氣管網(wǎng)摻氫雖處于起步階段但已取得積極進(jìn)展，截至2024年底，我國(guó)長(zhǎng)輸天然氣管道總里程約12萬(wàn)公里，如摻氫比例為10%（體積比），每年能輸送350多萬(wàn)噸氫氣。而天然氣摻氨技術(shù)則是將氨作為燃料與天然氣混合燃燒，其中氨既是氫能載體又是零碳燃料。這兩種技術(shù)路徑均能有效降低天然氣利用的碳排放，但在技術(shù)特性、經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用場(chǎng)景等方面存在顯著差異，值得深入探究。

2 技術(shù)特性對(duì)比：燃燒性能與排放表現(xiàn)


2.1 燃燒特性與穩(wěn)定性


天然氣摻氫技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于提升燃燒性能。氫氣具有極高的火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛯拸V的可燃范圍，摻入天然氣后可顯著改善燃燒特性。研究表明，當(dāng)摻氫比例達(dá)到15%時(shí)，天然氣燃燒火焰溫度更均勻，減少局部高溫區(qū)形成。這種特性使得摻氫天然氣在燃?xì)廨啓C(jī)和工業(yè)燃燒裝置中表現(xiàn)優(yōu)異，能夠提高燃燒效率，降低不完全燃燒風(fēng)險(xiǎn)。

然而，氫氣的高反應(yīng)性也帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn)。隨著摻氫比例提高，燃料反應(yīng)性會(huì)發(fā)生變化，可能造成火焰向上移動(dòng)、燃燒時(shí)間過(guò)盈等問(wèn)題，并增加氮氧化物的排放風(fēng)險(xiǎn)，甚至導(dǎo)致燃燒室超溫過(guò)熱。此外，氫氣的低熱值（約為天然氣熱值的30%）意味著按體積計(jì)算，摻氫會(huì)降低混合氣體的能量密度，如需保持相同能量輸出，則需增加氣體流量。

相比之下，天然氣摻氨技術(shù)面臨的是完全相反的挑戰(zhàn)。氨作為一種低反應(yīng)性燃料，其層流燃燒速度僅為甲烷的1/5，且可燃范圍狹窄（當(dāng)量比0.8-1.4）。純氨燃料存在點(diǎn)火困難、火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷鸵状迪ǖ葐?wèn)題。將氨與天然氣混合后，氨的燃燒性能得到顯著改善，研究發(fā)現(xiàn)添加20-50%的甲烷可以通過(guò)甲基自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)加速氨的燃燒。但總體而言，氨-天然氣混合燃料仍存在燃燒速度慢和點(diǎn)火延遲時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，需要專門(mén)優(yōu)化的燃燒器設(shè)計(jì)來(lái)保持火焰穩(wěn)定。

2.2 碳排放與氮氧化物排放


在碳排放方面，兩種技術(shù)均能有效降低二氧化碳排放，但機(jī)理不同。天然氣摻氫是通過(guò)氫氣的稀釋效應(yīng)直接降低混合燃料的碳含量，據(jù)國(guó)際可再生能源署測(cè)算，摻混20%的綠氫比單純使用天然氣能降低約7%的溫室氣體排放。而天然氣摻氨則是用零碳燃料替代部分天然氣，氨不含碳元素，燃燒不產(chǎn)生二氧化碳，替代比例直接決定碳減排量。

在氮氧化物(Nox)排放方面，兩種技術(shù)面臨不同的挑戰(zhàn)。對(duì)于天然氣摻氫，由于氫氣火焰溫度高，在不當(dāng)?shù)娜紵龡l件下可能導(dǎo)致熱力型NOx生成增加。不過(guò)，研究表明通過(guò)優(yōu)化燃燒器設(shè)計(jì)，當(dāng)摻氫比例達(dá)到15%時(shí)，氮氧化物排放濃度可從120mg/m降至82mg/m，低于《燃?xì)馊紵骶吲欧畔拗怠芬?guī)定的100mg/m標(biāo)準(zhǔn)。

而天然氣摻氨的NOx排放問(wèn)題更為復(fù)雜，主要源于燃料型NOx機(jī)制——氨分子中的氮元素在高溫下可直接參與NOx生成反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，純氨燃燒時(shí)NOx生成量高達(dá)500ppm，在某些條件下，摻氨天然氣的NOx排放量甚至是純氨燃燒的2倍。不過(guò)，通過(guò)采用富-貧分級(jí)燃燒、溫和低氧稀釋等先進(jìn)技術(shù)，可將NOx控制在100ppm以下。

3 經(jīng)濟(jì)性與基礎(chǔ)設(shè)施適配性


3.1 成本結(jié)構(gòu)與技術(shù)成熟度


天然氣摻氫技術(shù)的成本主要集中在氫氣生產(chǎn)、管網(wǎng)改造和終端設(shè)備適配三個(gè)方面。根據(jù)國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心的分析，綠電成本不超過(guò)0.30元/千瓦時(shí)—0.50元/千瓦時(shí)的情況下，電解水制氫的理論成本為16.5元/千克—30.0元/千克。當(dāng)氫氣價(jià)格高于20.16元/千克時(shí)，按目前的體積計(jì)量計(jì)價(jià)就會(huì)虧本。此外，氫摻混后爆炸風(fēng)險(xiǎn)加大，需對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管道、城市燃?xì)夤芫W(wǎng)及終端用能設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)性安全改造，以包頭—臨河輸氣管道項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目建設(shè)管線全長(zhǎng)約235公里，設(shè)計(jì)摻氫比例不高于10%，安全改造費(fèi)用約需3億元。

相比之下，天然氣摻氨技術(shù)的成本主要來(lái)源于氨燃料生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)建設(shè)。氨作為成熟的大宗化學(xué)品，已擁有完善的生產(chǎn)、存儲(chǔ)和分配基礎(chǔ)設(shè)施。常溫下壓縮至0.8 MPa可變成液體，儲(chǔ)存成本較低。根據(jù)相關(guān)研究，氨的單位儲(chǔ)存能量成本低、體積能量密度高、方便運(yùn)載，這些優(yōu)勢(shì)使得氨在儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)相比氫具有明顯經(jīng)濟(jì)性。然而，氨燃燒需要解決腐蝕性問(wèn)題，燃燒器改造也需要額外成本。

從技術(shù)成熟度來(lái)看，天然氣摻氫在全球已有較多示范案例，全球共有40多個(gè)示范項(xiàng)目，每年約2900噸氫氣摻入天然氣管網(wǎng)，摻氫比例最高達(dá)20%。日本Takasago工廠在大型燃?xì)廨啓C(jī)中使用的天然氣摻氫體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%。而天然氣摻氨技術(shù)則相對(duì)較新，但發(fā)展迅速，我國(guó)已研發(fā)出摻氨比例≥30%的燃燒器，燃燒試驗(yàn)取得成功，預(yù)計(jì)2026年可實(shí)現(xiàn)商業(yè)化銷(xiāo)售。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)施適配性與利用效率


在基礎(chǔ)設(shè)施適配性方面，天然氣摻氫具有明顯優(yōu)勢(shì)。我國(guó)已建成覆蓋31個(gè)省份的天然氣管網(wǎng)體系，全國(guó)一張網(wǎng)日供氣能力超10億立方米。研究表明，摻氫比例不超過(guò)20%時(shí)，天然氣管道、閥門(mén)、儀表等設(shè)備無(wú)需大規(guī)模改造即可正常運(yùn)行。利用現(xiàn)有管網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸送摻氫天然氣（10%—20%體積比），較純氫管道建設(shè)成本降低60%—80%。大規(guī)模、長(zhǎng)距離輸氫成本每百公里為0.3元/千克—0.8元/千克，遠(yuǎn)低于長(zhǎng)管拖車(chē)和液氫罐車(chē)的輸氫成本。

天然氣摻氨的基礎(chǔ)設(shè)施適配性較為復(fù)雜。雖然氨具有易于液化的特性，常溫下壓縮至0.8 MPa即可變成液體，且各國(guó)已建立了可靠的氨生產(chǎn)、存儲(chǔ)和分配基礎(chǔ)設(shè)施，包括管道、鐵路、公路和船舶運(yùn)輸。但是，氨的輸送通常需要獨(dú)立的系統(tǒng)，難以直接利用天然氣管網(wǎng)。這意味著氨燃料需要建立與天然氣并行的儲(chǔ)運(yùn)體系，或者在終端利用地點(diǎn)附近建設(shè)氨儲(chǔ)存與氣化設(shè)施，再與天然氣混合燃燒。

從能源效率全鏈條考量，天然氣摻氫的能效取決于氫氣來(lái)源。如采用綠電制氫，電-氫-電的總體效率相對(duì)較低；而作為儲(chǔ)能手段，它提供了跨季節(jié)、大規(guī)模儲(chǔ)存可再生能源的途徑。相比之下，氨的能量轉(zhuǎn)換效率也面臨類似挑戰(zhàn)，但從儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)看，氨的能量密度高，儲(chǔ)運(yùn)效率遠(yuǎn)高于氫，特別是在長(zhǎng)期儲(chǔ)存和長(zhǎng)距離運(yùn)輸方面具有成本優(yōu)勢(shì)。

4 安全性與環(huán)境影響綜合評(píng)價(jià)


4.1 運(yùn)輸與儲(chǔ)存安全


在運(yùn)輸與儲(chǔ)存安全方面，兩種技術(shù)路徑面臨不同的挑戰(zhàn)。氫氣具有極強(qiáng)的滲透性和易燃易爆特性，與空氣混合后的爆炸范圍寬(4%-75%)，遠(yuǎn)大于天然氣。氫分子極小，容易引發(fā)材料氫脆問(wèn)題，對(duì)管道材質(zhì)、密封件及終端設(shè)備都有更高要求。尤其是在城市燃?xì)鈭?chǎng)景中，氫氣可能積聚在密閉空間，形成爆炸風(fēng)險(xiǎn)，需要加強(qiáng)泄漏檢測(cè)與通風(fēng)措施。

相較而言，氨具有刺激性氣味，極低濃度下即可被察覺(jué)，這一特性在安全方面是一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。然而，氨具有毒性和腐蝕性，空氣中氨濃度達(dá)到300ppm即可對(duì)人體造成傷害，高濃度氨泄漏可能引發(fā)公共健康事件。此外，氨對(duì)銅、鋅等金屬材料有腐蝕性，儲(chǔ)存和輸送設(shè)備需要選用相容材料。

從環(huán)境安全角度，氫氣泄漏不會(huì)直接造成環(huán)境污染，但可能間接影響大氣化學(xué)過(guò)程。而氨泄漏可能導(dǎo)致水體和土壤污染，促進(jìn)水體富營(yíng)養(yǎng)化。在燃燒過(guò)程中，若控制不當(dāng)，氨燃燒可能產(chǎn)生N2O（笑氣），這種溫室氣體的全球變暖潛能值是CO2的近300倍，對(duì)氣候變化影響更為顯著。

4.2 污染物控制與生態(tài)影響


在污染物控制方面，兩種技術(shù)都面臨氮氧化物(NOx)的挑戰(zhàn)，但成因和控制策略不同。天然氣摻氫主要通過(guò)優(yōu)化燃燒器設(shè)計(jì)控制熱力型NOx，而天然氣摻氨則需應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的燃料型NOx問(wèn)題，需要采用分級(jí)燃燒、選擇性催化還原等綜合措施。

值得注意的是，氨燃燒技術(shù)正在快速進(jìn)步，通過(guò)富-貧分級(jí)燃燒、局部富燃等技術(shù)，可將NOx控制在100ppm以下。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合氣中氨含量大幅度升高后，在當(dāng)量比高的情況下，未燃燒的氨與NOx會(huì)發(fā)生反應(yīng)，反而降低NOx排放，這為高效低排放的氨燃燒技術(shù)開(kāi)發(fā)提供了新思路。

從全生命周期環(huán)境影響來(lái)看，兩種技術(shù)的環(huán)保性很大程度上取決于氫/氨的生產(chǎn)方式。目前，我國(guó)氫能結(jié)構(gòu)中煤制氫占62%，天然氣制氫占19%，這意味著如果使用化石能源制氫，摻氫技術(shù)的碳減排效果將大打折扣。同樣，氨生產(chǎn)目前主要依賴高能耗、高排放的Haber-Bosch工藝，如果采用傳統(tǒng)的灰氨，其全生命周期碳排放可能甚至高于直接使用天然氣。因此，只有與可再生能源制取的綠氫和綠氨結(jié)合，這兩種技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)真正的低碳環(huán)保價(jià)值。

5 應(yīng)用場(chǎng)景與發(fā)展路徑分析


5.1 行業(yè)適用性與場(chǎng)景適配


天然氣摻氫技術(shù)在以下場(chǎng)景更具優(yōu)勢(shì)：

城市燃?xì)庀到y(tǒng)：低比例摻氫(不超過(guò)20%)可廣泛應(yīng)用于民用和商業(yè)燃?xì)忸I(lǐng)域，英國(guó)HyDeploy項(xiàng)目涵蓋668戶家庭、12家商業(yè)用戶及1所學(xué)校，采用20%比例摻氫天然氣，驗(yàn)證了民用場(chǎng)景的安全性與可行性。

燃?xì)獍l(fā)電：燃?xì)廨啓C(jī)摻氫發(fā)電可實(shí)現(xiàn)快速調(diào)峰，提高電力系統(tǒng)靈活性。國(guó)家電投集團(tuán)在湖北荊門(mén)市成功實(shí)現(xiàn)在運(yùn)燃機(jī)30%摻氫燃燒改造和運(yùn)行。

工業(yè)燃料：對(duì)火焰溫度和控制精度要求高的工業(yè)加熱場(chǎng)景，如玻璃、陶瓷等行業(yè)，摻氫可改善燃燒特性。

可再生能源儲(chǔ)能：利用富余可再生能源制氫，然后摻入天然氣管網(wǎng)輸送，是實(shí)現(xiàn)可再生能源跨季節(jié)、大規(guī)模儲(chǔ)存的有效方式。

天然氣摻氨技術(shù)則在以下場(chǎng)景表現(xiàn)更佳：

燃煤電廠改造：在燃煤鍋爐中實(shí)施煤-氨混燒，可大幅降低碳排放。國(guó)家能源集團(tuán)燃煤鍋爐混氨燃燒技術(shù)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)40兆瓦等級(jí)燃煤鍋爐氨混燃比例為35%的中試驗(yàn)證。

大型工業(yè)鍋爐：對(duì)于規(guī)模大、負(fù)荷穩(wěn)定的工業(yè)加熱場(chǎng)景，氨燃料便于儲(chǔ)存和供應(yīng)，具有經(jīng)濟(jì)性。

船舶動(dòng)力：氨作為船用燃料正受到廣泛關(guān)注，中日韓以及挪威、德國(guó)等歐洲國(guó)家，已經(jīng)部署推進(jìn)氨燃料動(dòng)力船舶的商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

氫能載體：氨作為氫的高效載體，可通過(guò)裂解制氫間接用于燃料電池或其他氫能應(yīng)用。

5.2 發(fā)展階段與政策支持


從發(fā)展階段來(lái)看，天然氣摻氫技術(shù)已進(jìn)入示范應(yīng)用階段，多個(gè)國(guó)家已啟動(dòng)規(guī)模化試點(diǎn)。我國(guó)已在遼寧朝陽(yáng)、湖北荊門(mén)、內(nèi)蒙古烏海等多地開(kāi)展摻氫示范項(xiàng)目，2023年，中石油將寧夏寧東天然氣管道的摻氫比例提升至24%，經(jīng)過(guò)100多天測(cè)試運(yùn)行，這條397公里長(zhǎng)的管線整體運(yùn)行安全穩(wěn)定。

天然氣摻氨技術(shù)則處于技術(shù)驗(yàn)證與標(biāo)準(zhǔn)建立階段。我國(guó)正在積極制定《天然氣摻氨燃燒技術(shù)規(guī)范》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)2026年完成。目前，低比例摻氨（摻氨比例<10%）MW級(jí)燃燒器已應(yīng)用于多個(gè)項(xiàng)目，然氣高比例摻氨（摻氨比例≥30%）燃燒器已進(jìn)入工業(yè)驗(yàn)證階段，預(yù)計(jì)2026年可實(shí)現(xiàn)商業(yè)化銷(xiāo)售。

在政策支持方面，兩種技術(shù)都被納入國(guó)家相關(guān)規(guī)劃。《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021—2035年）》明確探索輸氣管道摻氫輸送等高效輸氫方式；《煤電低碳化改造建設(shè)行動(dòng)方案（2024—2027年）》則將綠氨燃燒列為煤電改造的重要技術(shù)路線之一。然而，國(guó)家層面的專項(xiàng)規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)體系仍待完善，特別是摻氫比例上限缺乏統(tǒng)一規(guī)范，制約了技術(shù)的規(guī)?；茝V應(yīng)用。

6 結(jié)論與展望

天然氣摻氫與摻氨作為天然氣低碳化的兩條技術(shù)路徑，各有優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)，并非簡(jiǎn)單的替代關(guān)系，而是在不同場(chǎng)景、不同階段具有互補(bǔ)性的技術(shù)選擇。

從短期應(yīng)用潛力（2025-2030年）來(lái)看，天然氣摻氫技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)，特別是在城市燃?xì)?、分布式能源等領(lǐng)域，低比例摻氫可以較容易地融入現(xiàn)有能源體系，快速實(shí)現(xiàn)減排效果。預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)可在西部地區(qū)風(fēng)光發(fā)電基地沿線的天然氣管道開(kāi)展摻氫改造，改造后可以外輸約58萬(wàn)噸氫氣，消納近290億千瓦時(shí)綠電，部分解決西部風(fēng)光發(fā)電基地棄風(fēng)棄光的問(wèn)題。

從中長(zhǎng)期發(fā)展（2030-2050年）來(lái)看，隨著氨燃燒技術(shù)的成熟和標(biāo)準(zhǔn)體系的完善，天然氣摻氨將在大型電廠、工業(yè)鍋爐和船舶動(dòng)力等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，尤其是在實(shí)現(xiàn)更高比例的可再生能源消納和更深度的脫碳方面潛力巨大。

對(duì)于政策制定者，建議明確兩類技術(shù)的定位與分工，避免一刀切的支持政策。對(duì)于天然氣摻氫，應(yīng)優(yōu)先完善標(biāo)準(zhǔn)體系，改革計(jì)量、計(jì)價(jià)方式，將摻氫的碳減排量納入碳交易市場(chǎng)；對(duì)于天然氣摻氨，則應(yīng)聚焦技術(shù)研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)制定，支持示范項(xiàng)目建設(shè)，逐步解決NOx排放等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

對(duì)于行業(yè)參與者，應(yīng)根據(jù)自身業(yè)務(wù)特點(diǎn)選擇合適的技術(shù)路徑。城市燃?xì)馄髽I(yè)可優(yōu)先探索摻氫技術(shù)，在嚴(yán)格安全標(biāo)準(zhǔn)下開(kāi)展試點(diǎn)；發(fā)電企業(yè)可同時(shí)關(guān)注兩種技術(shù)，根據(jù)機(jī)組類型和區(qū)位條件選擇合適路徑；設(shè)備制造商則應(yīng)前瞻性布局兩類燃燒器的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。

在雙碳目標(biāo)引領(lǐng)下，天然氣摻氫與摻氨技術(shù)將共同推動(dòng)天然氣行業(yè)向低碳、零碳未來(lái)轉(zhuǎn)型。通過(guò)科學(xué)規(guī)劃、合理布局與有序推進(jìn)，這兩條技術(shù)路徑將在中國(guó)能源體系綠色轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用，為構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系提供有力支撐。