天然气管道中氢能高效混合的模块化静态混合系统开发与性能验证

为解决氢能(H2)与天然气(NG)混合过程中的分层与压力损失问题，意大利Tormene团队开发了模块化静态混合系统"GreenBoost"。通过CFD模拟验证，该系统在5-20% H2混合比下实现>95%均匀度(UI)，压力损失<2.2bar，并成功应用于西班牙Green Hysland项目，为氢能基础设施过渡提供关键技术支撑。

　　

在全球能源转型背景下，氢能(H₂)作为清洁能源载体被寄予厚望，但专用输氢管网建设的高成本成为推广瓶颈。将H₂掺入现有天然气(NG)管网被视为过渡期关键策略，然而两种气体密度差异导致混合不均、压力波动等问题，可能引发安全隐患和设备腐蚀。目前国际上的混合项目（如英国HyDeploy、法国GRHYD）多采用简单T型接头混合，存在氢浓度局部超标风险，且缺乏适应不同混合比例的灵活方案。

意大利Tormene Industriale的研究团队Nashit Ali和Filippo Tormene在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，提出创新解决方案。团队开发了"GreenBoost"模块化静态混合系统，通过计算流体力学(CFD)模拟和实际案例验证其性能。关键技术包括：1) 基于文丘里效应的多级混合腔室设计；2) 可更换的穿孔式滤芯模块(Type A/B)适应1-20%混合比；3) 湍流强化与旋流结合的混合策略；4) 采用SolidWorks Flow Simulation进行压力损失和均匀度指数(UI)评估。

【Green Boost – static mixer】
系统核心由串联文丘里管构成，通过NG主流加速产生低压区吸入H₂，结合切向注入产生旋流(SWIRL)和回流涡。测试数据显示：在DN500管道中，Type B滤芯处理20% H₂混合时，UI达99.82%，压降2.7bar；而5%混合比下UI仍保持98.14%，压降仅0.01bar。

【Computational fluid dynamic (CFD) studies】
模拟设定NG为纯甲烷(CH₄)，分子量19.36kg/kmol对比H₂的2.016kg/kmol。关键发现：1) 混合均匀度在出口4倍管径处即达95%以上；2) 适配滤芯类型可使UI提升3-5%（如图8所示）；3) 30bar工况下系统保持稳定流动。

【Case study】
在西班牙Green Hysland项目中，该系统成功处理90,000Nm³/h流量（峰值150,000Nm³/h），设计压力90barG。分两阶段实施：第一阶段5%瓶装H₂混合，第二阶段提升至20%绿氢，验证了技术的工程适用性。

该研究证实模块化设计能有效平衡混合质量与压力损失，其创新性体现在：1) 滤芯可更换设计降低设备更新成本；2) 短距离（<5D）实现高效混合；3) 适应宽范围操作条件。作为欧洲首个商业化应用的氢混合系统，为氢能基础设施过渡提供重要技术参考，尤其对处理高波动性可再生能源制氢具有特殊价值。未来研究可进一步探索材料抗氢脆性能及长期运行稳定性。