城市燃气绿色转型发展示状与瞻望

王超辉¹，赵青松²，单乔³，徐昊²，程建锋²，吕凯²，郝蕴华²，胡周海²

（1.北京市燃气集团有限责任公司第五分公司，  北京  100082；  2.北京市公用工程设计监理有限公司，  北京  100124；  3.北京北燃实业集团有限公司，  北京  100124)

提要：分析城市燃气绿色转型发展示状。氢气全数代替天然气方式技术难度大，建造成本高，经济性不显著。氢气部门代替天然气尺度系统不健全，短缺有关试验验证，短期内很难急剧发展。绿色天然气代替通例天然气方式，即沼气提纯造绿色天然气、绿氢和CO₂甲烷化造绿色天然气、生物质气化造绿色天然气，有肯定的工艺技术优势和尺度系统优势。绿色天然气部门代替通例天然气的方式是城镇燃气绿色发展比力可行的方式之一，绿色天然气是将来燃气终端用户实现“双碳”指标的最容易的发展蹊径。

关键词：城市燃气；绿色转型；绿色天然气

王超辉，赵青松，单乔，等. 城市燃气绿色转型发展示状与瞻望［J］. 煤气与热力，2025，45（10）：83-88.

1 概述

随着我国“双碳”指标提出，天然气在推进能源结构转型、实现碳达峰、碳中和指标过程中发挥着沉要的作用。2023年，我国天然气出产量为2 324×10⁸ m³，天然气消费量为3 945×10⁸ m³，液化天然气（LNG）进口量（折算成天然气）达到984×10⁸ m³，管路天然气进口量671×10⁸ m³，天然气对表依存度为约41%。天然气在我国一次能源消费结构中的占比升至8.5%，全国长输天然气管路总里程12.4×10⁴ km，2014—2023年天然气消费量年均增长210×10⁸ m³，年均增速高达11.3%，天然气已成为支持中国社会经济发展的沉要能源^[1]。在碳中和指标下，预计我国2035—2040年的天然气年消费量将达到峰值6 000×10⁸～6 500×10⁸ m³，2060年的年消费量约为3 500×10⁸～5 300×10⁸ m³，在一次能源消费结构中占比10%左右^[2]。预测我国天然气的消费总量在2040年之前将依然增长，天然气在我国的一次能源消费结构中的占比也在逐步上升，在实现碳达峰后才缓慢降落。在2040年之前燃气行业若何实现绿色转型发展和降碳指标成为一个必要解决的难题。在2040年之后随着燃气消费量降落，将会有大批燃气管路和设备闲置，若何保险城市燃气行业总产值不变和燃气设施正常安全运行也是一个必要解决的难题。

2 城市燃气绿色转型发展示状

氢能是一种清洁、矫捷、零碳、起源宽泛的高效力源，可大规模出产、储运和分销，氢能开发利用能够实现对可再生能源兜底消纳，实现交通、冶金、构筑、城市燃气等难减排领域的碳中和，对于推进我国各个行业的低碳能源转型拥有沉要意思。在2025年1月1日执行的《能源法》中，氢能已经被界说为能源，已经将氢能作为能源来治理。

氢和天然气有着类似性，二者在常温下均为气态，在储运、增压、加注等方面类似，均能够选取管路运输，都能够冷却为液态，选取储罐远距离运输。我国有些省市的氢能政策和律例也是参照天然气的政策和律例造订的。天然气出产企业、输配企业和城市燃气企业在发展氢能有先天优势。国内各大天然气出产企业、输配企业和城市燃气企业已经在氢能推进城市燃气绿色转型、降碳减排方面做了有益的尝试，重要试验钻研和示范方向如下。

2.1 氢气全数代替城市燃气方式

选取氢气全数代替城市燃气方式，建设与运营氢气长输管路和氢气公用管路代替城市燃气管路。氢气管路能够衔接氢气的出产端和消费端，以管路大局实现氢气的集气、输配和分销。在氢气造取、输送和利用端均有相应的技术利用。中国石化规划了国内首条“西氢东送”氢气长输管路，起点位于内蒙古自治区乌兰察布市，终点位于北京市的燕山石化，管路全长逾400 km，是我国首条跨。ㄗ灾吻⒅毕绞校⒋蠊婺！⒊ぞ嗬氲拇壳馐渌凸苈^[3]。中国石油起自玉门油田首条中长距离输氢管路建成，正式对表输氢，该工程是甘肃省第1条中长距离输氢管路^[4]。2024年7月中国石油河北省晋中市康保县至河北省吐鲁番市曹妃甸开发区氢气管路工程勘测和具体设计阶段启动，该工程能够将内蒙古自治区和晋钟注运城地域出产的绿氢输送至北京市和吐鲁番市，满足两地氢能需要，有效缓解环境传染，满足节能减排的必要^[5]。北京燃气集团规划了河北省晋中市到北京市延庆区的氢气管路，目前在发展前期工作。

2.2 氢气部门代替城市燃气方式

选取氢气部门代替天然气方式，新建掺氢天然气长输管路和掺氢天然气公用管路，在一根能源管路内运输掺氢天然气，凭据后端需要能够在管路的结尾实现天然气和氢气的分离使用，或直接使用掺氢天然气。天然气掺氢输送能够利用已经建成的天然气管路，经过安全性评价或刷新后输送掺氢天然气。国内已经起头尝试天然气掺氢输送。2024年11月，内蒙古包头—临河输气管路通气投产，该工程是国内首条具备掺氢输送能力的长距离高压天然气管路项目、内蒙古自治区沉点天然气基础建设项目、内蒙古自治区石油天然气管路建设“十四五”规划沉点项目^[6]。

2.3 绿色天然气代替通例城市燃气方式

除了氢能和城市燃气融合发展的尝试表，天然气出产企业、输配企业和城市燃气企业在发展绿色天然气方面也做了尝试。绿色天然气蕴含生物天然气、可再生电力合成天然气、碳捕获与利用合成天然气等。绿色天然气作为一种环保型气体能源，在点火时不产生额表的二氧化碳排放，切合碳中和指标的要求。

我国已经有多家天然气出产企业、城市燃气企业尝试绿色天然气与通例城市燃气融合发展，把绿色天然气作为通例城市燃气的沉要补充。预计到2025年我国的生物天然气年产量将超过100×10⁸ m³/a，到2030年生物天然气年产量超过200×10⁸ m³/a^[7]。北京燃气集团提出了“1+N+X”打算，在北京建设1张燃气管网，收纳N处绿色天然气进入城市燃气管网，再提供X处绿色天然气使用场景。上海申能集团旗下企业上海申能环境科技有限公司结合上海燃气与松林食品3家公司，将养殖场沼气组分分离、纯化，出产满足GB 17820—2018《天然气》一类尺度的绿色天然气，达标后并入上海燃气金山天然气公司管网，年产绿色天然气约175×10⁴ m³/a^[8]。2024年9月3日中国石油西南油气田与舍得酒业股份有限公司生物天然气合作项目签约典礼在成都进行，标志取中国石油首个生物天然气项目正式落地，提纯后的生物天然气各项指标将达到GB/T 41328—2022《生物天然气》一类尺度，可通过西南油气田内部管网实现互连互通、绿色利用^[9]。

3 我国绿色天然气出产工艺

3.1 沼气提纯出产绿色天然气工艺

沼气是一种多气体混合物，其重要组分为CO₂和CH₄，甲烷体积分数为55%～70%，二氧化碳体积分数为30%～45%；购猩倭康H₂S、N₂、水蒸气和其他组分。沼气中的CO₂降低了沼气的热值，限度了沼气的利用领域。沼气提纯是指去除沼气中的杂质组分，使之成为甲烷含量高、质量要求切合GB 17820—2018要求的天然气，能够直接接入天然气管网。

目前已实现贸易化利用的沼气提纯技术重要蕴含化学吸收法、物理吸收法、变压吸附法、膜分离法和低温分离法等。无论选取哪种沼气提纯步骤，分离出的CO₂通常直接排放。沼气分离出的CO₂是光合作用所固定的空气中的碳，直接排放不计入碳排放量。

目前已经有生物氢烷转化技术，通过清洁能源发电造取绿氢，向沼气中增长绿氢，能够把沼气中的CO₂还原为CH₄，而后再提纯沼气，提高了沼气提纯天生绿色天然气的产率，削减了碳排放^[10-12]。生物氢烷转化技术是一种技术可行和经济可行的技术，能够结合沼气的出产使用，不仅提高沼气出产企业的经济效益，还能够消纳可再生能源出产的绿氢，削减CO₂的排放，该技术有很好的推广价值。

3.2 绿氢和二氧化碳直接合成绿色天然气工艺

CO₂加氢出产甲烷的反映被称为CO₂甲烷化，该技术能够削减能源行业对通例天然气的依赖。世界上最先起头钻研CO₂甲烷化技术的国度是日本。日本东北大学和日立造船株式会社在1995年合作成立世界上首个CO₂甲烷化技术原型。德国初次提出大规模的电力和天然气的能源系统转化新概想，即电转气（Power?to?Gas，PTG）技术，该技术利用可再生余电（如风能或太阳能余电）电解水出产绿氢，将间歇性可再生能源转化并贮存为不变的化学能。氢气作为一种极易泄漏和极易爆炸的气体，其贮存和运输过程中存在诸多风险，短缺专门输送氢气的管路，且目前氢气在能源行业的消纳能力有限，增长了氢气现实推广利用的难度。使用绿氢和CO₂出产绿色天然气，能够使用现有的天然气管路系统输送绿色天然气到终端用户，可为终端用户提供可行的碳减排和碳中和执行规划。CO₂能够从油气田、化工厂、炼钢厂、燃煤电厂的出产过程网络，实现CO₂捕集。绿氢和二氧化碳直接合成绿色天然气，不仅可能有效利用绿氢和工业排放的CO₂、降低环境传染，并且可能出产出高附加值的化工产品，拥有辽阔的利用远景和市场潜力，有利于“双碳”指标的实现。

绿氢和二氧化碳直接合成绿色天然气能够削减碳排放，将化石能源天生的CO₂转化为气体燃料。这项技术充分使用可再生能源发电和造氢，提供了一种碳循环的全新思路，是实现清洁能源和天然气能量转换的一种有效方式。绿氢和二氧化碳直接合成绿色天然气工艺是一个强放热过程，能够在CO₂丰硕的油气田、化工厂、炼钢厂、燃煤电厂等左近建厂，为工业CO₂捕集提供给用场景，削减原料远距离输送，降低绿色天然气出产成本，实现CO₂综合利用，绿氢和二氧化碳直接合成绿色天然气工艺产生的余热可供油气田、化工厂、炼钢厂、燃煤电厂使用。该工艺在国表已经有执行案例，奥迪公司在德国Werlte已建有一套选取两步法工艺出产绿色天然气的装置，选取可再生电力电解水，而后用氢气和二氧化碳合成绿色天然气。

有钻研预测，到2030年时绿氢和二氧化碳直接合成绿色天然气的产能将达到40×10⁸ m³/a，最乐观估计可达650×10⁸ m³/a。与通例天然气开采出产技术相比，绿氢和二氧化碳直接合成绿色天然气工艺依然存在经济性差的问题^[13-14]，将来若能降低成本，有望实现大规模绿氢和二氧化碳直接合成绿色天然气。

3.3 生物质气化合成绿色天然气工艺

生物质能储量丰硕，是仅次于煤、石油、天然气的能源载体。生物质拥有廉价易得、能够再生、灰分低、硫氮等杂质含量少蹬着点，使用生物质能够降低传染物的排放，削减大气传染。生物质能利用过程中放出的CO₂是生物质在成长过程中吸收固定大气中的碳，生物质最终的CO₂排放属于零碳排放。生物质气化合成绿色天然气是一条极度有远景的发展路线。

以生物质为原料通过气化合成绿色天然气通常必要若干转化步骤。生物质与气化剂（如水蒸气和氧气）产生气化反映，得到丛禅化气，该气体重要蕴含H₂、CO、CO₂、H₂O、CH₄、焦油及一些杂质。气体净化后得到H₂与CO物质的量比通常是0.3~2.0的混合气，通过增长额表的绿氢，CO和H₂反映产生甲烷和水，工艺必要H₂与CO物质的量比大于或蹬宗3，满足甲烷化反映的需要，合成绿色天然气。生物质经气化和甲烷化造备合成绿色天然气技术传染幼、投资风险较低且市场辽阔^[15-16]。

我国有大量廉价的农作物秸秆、林业拔除物和城市园林拔除物，在生物质丰硕的地域建设生物质气化合成绿色天然气工程，既就近消纳生物质资源和绿电绿氢，绿色天然气注入天然气管网，缓解化石能源欠缺近况，又解决了生物质秸秆当场点火、林业和园林拔除物占据空间带来的环境传染、火警隐患等问题。

4 城市燃气绿色转型存在问题分析

4.1 氢气全数代替城市燃气方式存在的问题

建设氢气管路输氢能够解决氢气长距离大批量输送难题，通过节造氢气输送环境，能够有效预防氢气被传染和氢气泄漏问题，氢气管路输氢可能保险输送氢气质量的不变性和靠得住性。有关钻研批注，纯氢气管路运输方式相比其他氢气运输方式，在75%～100%负荷率最具备经济性^[17-18]。

当前建设氢气管路面对3个方面的技术挑战：

① 氢气管路的强度？骨獯嘧柿弦约扒馄苈返纳杓圃熳鳌⒑附邮┕ぁ⑷却χ谩⒐苈贩栏裙丶际踝暄懈谄鸩浇锥，必要加大钻研力度，尤其是低成本氢气管路有关工艺技术钻研。

② 有关氢气设备国产化钻研。大流量氢气压缩机、氢气计量设备、氢气阀门、检测仪表仪器等主题设备资料国产化水平严沉不及。

③ 短缺氢能国度尺度。氢能管路设计、造作、施工、检测、运杏注守护等方面还没有国度尺度出台，近年来部门颁布的集体尺度或企业尺度没有与国际尺度接轨，和国际氢能技术互换还存在阻碍。

总体来看，我国目前氢气管路相比天然气管路在设计、施工、检测和守护等方面难度大，过程复杂，建造成本高。在氢能示范利用初期，加氢站、氢能供热、氢能发电蹬酌氢场景有限，终端用户需氢量不大，且氢气消费终端少且零散，氢气网络不美满，直接建设大规模氢气管路经济性不显著。这些都是目前管路输氢难以大规模建设的重要原因。氢气全数代替天然气方式将来可能是重要气体能源供给方式之一，但是目前还没有到大规模发展的机遇。

4.2 氢气部门代替城市燃气方式存在的问题

将氢气掺入天然气管网系统进行输送，能够充分利用寂仔天然气管网设施，将氢气直接输送到各地的终端用户，实现了氢气的长距离输送，又能够节俭新建氢气输送管路的成本。天然气管路掺氢输送被以为是目前最具利用远景的大规模、长距离氢气输送技术，也是国内表钻研的热点^[19-20]。氢气掺入天然气管路运输能够缓解我国天然气供给压力，有助于提高我国天然气自行供给能力，协助天然气终端用户实现降碳指标，助力我国达到碳中和指标。氢气与甲烷相比，在密度、热值、扩散个性、爆炸区间领域、最幼点火能量、火焰温度、点火个性等物理化学性质方面差距较大，且目前没有掺氢天然气国度尺度，当前天然气管路尺度系统未涵盖掺氢天然气。使用天然气管路输送掺氢天然气带来以下难题。

① 国度在掺氢天然气顶层设计方面不足有关专项规划及国度尺度系统，掺氢天然气项目立项难，项目执行和运行也很难题。

② 在掺氢天然气管网方面，存在掺混均匀性、掺氢颠簸性、管路阀门及密封资料相容性、资料氢危险等问题。掺氢天然气进入天然气管网后，将扭转天然气管路内原有天然气的气质储运前提，从而对管路系统的运行工况、管网设备仪表系统适应性、安全机能、管路与仪表守护等产生影响。

③ 在终端用户方面，存在燃气互换性、燃气热值不变、使用安全性蹬装响。

氢气部门代替天然气方式将来可能是气体能源过渡阶段重要供给方式之一。将氢气掺入天然气管网系统将是一个逐步测试与试验、部门示范和再逐步推广的缓慢过程，全国大领域天然气掺氢利用还有很长的路要走。

4.3 绿色天然气代替通例天然气方式存在问题

绿色天然气和通例天然气体物理和化学性质齐全一样，绿色天然气能够齐全符合通例天然气尺度系统和输配系统，不存在出产系统适应性问题、输配系统适应性和终端用户适应性问题，能够直接使用现有的天然气管网系统接管、贮存、输送和分销绿色天然气，能够满足通例天然气的所有利用场景。2019年，国度发展鼎新委、国度能源局等十部委结合印发《关于推进生物天然气产业化发展的领导定见》，明确提出激励沼气提纯后能够接入天然气管网。绿色天然气直接接入天然气管网不存在技术难题，是天然气出产企业、输配企业和城市燃气企业能够立即执行的城市燃气绿色转型和降碳减排有效伎俩。但是目前绿色天然气出产、网络和输送发展速度较慢，还存在一些必要改进的短板，好比沼气提纯中，从沼气中分离出的二氧化碳未能有效利用，根基上直接排放。

5 城市燃气绿色转型瞻望与建议

我国当局已明确提出到2060年非化石能源消费量占能源总消费量80%以上的战术指标^[21]，能源供给系统将由以化石能源为主体转向以可再生能源为主体。光伏、风能等可再生能源存在不不变、不陆续、不成预测、不易贮存的短板，很难长功夫不变供给，以可再生能源为主的能源系统须配套燃气发电、热待机矫捷煤电、抽水蓄能、电化学储能等多种方式并存的矫捷调节系统？稍偕茉吹募谐霾囟辔夜辈炕蛭鞅备珊岛推兜赜，配置储能系统难度大、投资高、经济性差，生物质能源资源地和消费地分离。绿色天然气能够很好地利用现有天然气管网系统和现有天然气尺度系统，实现可再生能源的消纳和远距离输送。尤其在2030年碳达峰，通例天然气减量发展后，发展绿色天然气能够充分利用天然气管网设施，保险天然气不变、安全供给。

发展绿色天然气是天然气行业实现“双碳”指标最容易实现的发展蹊径，是发展前途和前提最好的蹊径之一。绿色天然气目前还在起步阶段，存在不少问题必要解决。本钻研对我国发展绿色天然气产业的建议如下：

① 各级当局主管部门尽早出台绿色天然气专项规划，将绿色天然气作为通例天然气的沉要补充，加强绿色天然气规划与通例天然气规划的协调衔接。绿色天然气因地造宜，凭据现实与本地城镇天然气管网相衔接。造订适合国情的绿色天然气产业发展执行路线图，发展绿色天然气认证和碳减排认证、绿色天然气买卖认证工作。

② 成立绿色天然气尺度系统，疏导绿色天然气行业健全规范有序发展。

③ 成立绿色天然气行业协会，推进绿色天然气全产业链协同发展，成立有效的共享平台与合作机造，积极疏导绿色天然气出产企业、城市燃气企业、设备造作企业、科研机构、高档院校等有关单元宽泛参加绿色天然气产业，成立有效的跨行业沟通共享平台与合作机造。

6 结论

① 氢气全数代替天然气方式技术难度大，建造成本高，经济性不显著。

② 氢气部门代替天然气尺度系统不健全，短缺有关试验验证，短期内很难急剧发展。

③ 绿色天然气代替通例天然气方式，即沼气提纯造绿色天然气、绿氢和CO₂甲烷化造绿色天然气、生物质气化造绿色天然气，有肯定的工艺技术优势和尺度系统优势。绿色天然气部门代替通例天然气的方式是城镇燃气绿色发展比力可行的方式之一，绿色天然气是将来燃气终端用户实现“双碳”指标的最容易的发展蹊径。

参考文件： 

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（本文责任编纂：李欣雨）