天然氣水合物技術(shù)與供氣可行性的若干研究

郭東升

摘要對天然氣水合物技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难芯糠治觯_定其技術(shù)特點(diǎn)，并相對于其他天然氣技術(shù)進(jìn)行比較，諸如壓縮天然氣技術(shù)、液化天然氣技術(shù)以及吸附天然氣技術(shù)，對天然氣水合物技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)庑袠I(yè)進(jìn)行有效論證。在此基礎(chǔ)上，對該技術(shù)流程提出設(shè)想，并對其技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用所存在的問題進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞天然氣水合物技術(shù)；燃?xì)庑袠I(yè)；技術(shù)流程；工業(yè)化應(yīng)用

中圖分類號TU99

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號2095-6363（2017）04-0021-01

1.研究背景

在新時期條件下，隨著世界各國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，隨之而來的是能源的過度消耗。一方面，石油資源面臨短缺；另一方面，能源的使用同時也加重了環(huán)境的負(fù)擔(dān)，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的損害。在此前提下，開發(fā)和利用新能源就顯得尤為重要。由于天然氣具有清潔和高能效的諸多特點(diǎn)，因而被多數(shù)國家作為主要新能源進(jìn)行開發(fā)和利用。天然氣開發(fā)技術(shù)目前投入商業(yè)運(yùn)營的主要有液化和壓縮天然氣技術(shù)，天然氣吸附和水合物技術(shù)，目前仍在研究中。燃?xì)庑袠I(yè)目前主要應(yīng)用的天然氣技術(shù)為液化和壓縮2種，主要應(yīng)用于中小城鎮(zhèn)的非管運(yùn)輸氣化供氣及儲存等。天然氣水合物技術(shù)作為天然氣技術(shù)的新興研究，其具有很大的發(fā)展和應(yīng)用空間，加之我國海洋和凍土區(qū)具有相當(dāng)數(shù)量的自然天然氣水合物礦藏，因此，其具有很大的研究價值。目前我國已經(jīng)在此項技術(shù)上進(jìn)行了許多有利的研究探索，本文主要就天然氣水合物的相關(guān)技術(shù)與特點(diǎn)進(jìn)行討論，旨在開發(fā)出更加有效、綠色環(huán)保的天然氣供氣方案。

2.天然氣水合物技術(shù)及其相關(guān)特點(diǎn)研究

2.1天然氣水合物的定義

在溫度和壓力一定的情況下，作為主體分子結(jié)構(gòu)的水分子在氫鍵的作用下形成了一種穩(wěn)定的點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)，客體分子的天然氣分子填充在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)間的孔穴中，構(gòu)成籠形結(jié)構(gòu)的冰狀晶體化合物，稱作天然氣化合物，簡稱NGH。由于NGH具有較大的儲氣能力，并且可以降低運(yùn)輸和儲存成本，因此，NGH可作為非管輸供氣技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和利用。

2.2 NGH供氣技術(shù)的特點(diǎn)

通過對NGH的相關(guān)物性的研究，我們得到NGH的部分參數(shù)，可以根據(jù)這一系列參數(shù)進(jìn)一步研究NGH供氣技術(shù)的相關(guān)特點(diǎn)：

1）NGH能夠在2MPa～6MPa的壓力條件下進(jìn)行制備，并且對溫度的要求也不是很高，一般為0～20°C左右。制備的條件不是很特殊，能夠方便工作人員的處理。

2）NGH的制備工藝相較于液化天然氣LNG和壓縮天然氣CNG，其不需要脫水和重?zé)N，相同的還有除酸氣等的嚴(yán)格工藝。由于天然氣中存在丙烷等重?zé)N類物質(zhì)，在溫度相同的條件下與甲烷比較，其形成的水合物的平衡壓力大大降低。少量的CO₂、H₂S等酸性氣體存在于天然氣中，能夠很好地保持籠形空隙結(jié)構(gòu)，穩(wěn)固烴類水合物，從而顯著降低水合物的生成條件。綜合來看，天然氣中適量的酸性氣體和重?zé)N對生成NGH具有促進(jìn)作用。

3）在與LNG供氣技術(shù)進(jìn)行比較時，NGH的熱導(dǎo)率是18.7w/（m·K），因此其儲存容器不用采取特殊的絕熱手段。因為NGH能夠在-15°C及常壓的條件下進(jìn)行穩(wěn)定儲存，所以其供氣技術(shù)對制造儲存容器的材料要求不是很嚴(yán)格。

4）具有良好的安全儲運(yùn)性能。

5）在NGH的分解過程中，一般使用高溫或者降壓技術(shù)，這種分解方式十分簡單便捷，一般不會出現(xiàn)錯誤。

6）NGH儲運(yùn)量比其他的方法小，并且密度與水的密度相差不多，在一般情況下很難進(jìn)行分離。因此會使水合物內(nèi)包含水，使產(chǎn)品純度不夠。還會在運(yùn)輸上加大成本。

2.3天然氣水合物技術(shù)的前景

液化天然氣和壓縮天然氣技術(shù)是我國目前使用最多的供氣技術(shù)，并且新開發(fā)出來的吸附天然氣技術(shù)流傳也越來越廣泛。各個技術(shù)都有其獨(dú)特的特點(diǎn)。對于液化天然氣LNG和天然氣水合物NGH來說，通常在常壓下進(jìn)行使用，對于壓縮天然氣CNG來說，需要的壓力最大，能夠達(dá)到20MPa。ANG也需要4MPa左右的壓力。LNG需要很低的溫度下儲藏，與NGH一樣都需要在0℃以下。而CNG與NAG都能夠在常溫下儲藏。在4種天然氣技術(shù)中，LNG、CNG、ANG都有很高的凈化等級，只有NGH凈化等級較低。并且LNG在儲存時只需要絕熱的雙層金屬容器，CNG使用耐高壓無縫金屬容器進(jìn)行儲存，ANG也需要耐壓，但是NGH只需要一個普通的金屬容器，是十分方便的。雖然NGH與ANG的貯存容量都很小，但是，他們卻是最安全的。NGH在生產(chǎn)過程中不需要太復(fù)雜的工藝，并且成本相對較低。但是NGH在生產(chǎn)儲運(yùn)過程中需要消耗一部分水，這部分水看似會增大成本，但是卻能夠循環(huán)重復(fù)利用，是一種綠色環(huán)保的生產(chǎn)方式。其他的技術(shù)也有需要占用儲存空間的，但是卻不能像NGH一樣能夠充分的進(jìn)行重復(fù)使用。通過研究調(diào)查與各個方面的比較，可以看出將NGH技術(shù)運(yùn)用到燃?xì)忸I(lǐng)域是十分恰當(dāng)?shù)摹?/p>

2.4 NGH的流程

當(dāng)前我國的NGH技術(shù)還沒有十分的完善，因此，在一些技術(shù)上還存在一些漏洞。但是，由于NGH獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，研究人員認(rèn)為NGH必將會成為未來天然氣領(lǐng)域的重要技術(shù)。主要通過在NGH礦田中開采，再進(jìn)行運(yùn)輸與分離，最后為城市的各個用戶輸送。

目前輸送NGH主要是非管輸送這種方式，首先運(yùn)輸?shù)街付ǖ姆纸鈭龅?，進(jìn)行熱交換處理，能夠使NGH釋放出天然氣，再進(jìn)行壓縮后輸送給用戶。運(yùn)用這種方法能夠很大程度的節(jié)約成本，在生產(chǎn)與運(yùn)輸過程中都會節(jié)約下大部分的資金，能夠?qū)⒄w的工程造價降到規(guī)定的水平。

3.NGH技術(shù)還需要進(jìn)一步完善

世界上各個國家都在能源的開發(fā)與持續(xù)利用方面進(jìn)行不斷的探索與研討。因此我國更應(yīng)該加快發(fā)展的腳步，利用新技術(shù)進(jìn)行天然氣的研究，目前已經(jīng)取得了很好的進(jìn)展，天然氣水合物技術(shù)就是一個典型的例子。為了更好地進(jìn)行這個技術(shù)的探索，就需要找到其中存在的最根本的需要解決的方面。首先要注意怎樣能夠降低NGH的能源消耗，目前NGH技術(shù)雖然能夠保證很低限度的工程成本，但是還需要對能源方面進(jìn)行節(jié)約的研究，使得整個天然氣領(lǐng)域能夠更加環(huán)保，更加與我國持續(xù)發(fā)展的指標(biāo)相符合。并且對于天然氣水合物如何提高分離氣體的能力以及反應(yīng)的效率也要進(jìn)行進(jìn)一步提高。使整個反應(yīng)過程能夠在經(jīng)濟(jì)與快速的狀態(tài)下進(jìn)行，提高傳熱與傳質(zhì)的速度。NGH技術(shù)還需要進(jìn)行探討怎樣能夠更加便捷的進(jìn)行水與水合物的分離，二者的密度相差不大，用一般的實驗方法都不能得到良好的效果，我們不僅要考慮到如何進(jìn)行分離，還需要研究降低天然氣水合物含水的程度，這樣就能夠提高運(yùn)輸?shù)男逝c質(zhì)量，使得每一次運(yùn)輸都能在更加經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下進(jìn)行水合物的傳運(yùn)。并且在天然氣水合物裝載與卸載方面也要進(jìn)行合理的改進(jìn)。

4.結(jié)論

天然氣水合物在我國的很多地區(qū)都有發(fā)現(xiàn)，因此，這是一種新的能源技術(shù)，并且此項技術(shù)存在許多優(yōu)點(diǎn)等待開發(fā)，我們要抓住這個機(jī)會，進(jìn)行此項技術(shù)更深層次的研究與創(chuàng)新。我國也要在這方面多進(jìn)行人才的培養(yǎng)，在各大高校開設(shè)此類的課程，使天然氣水合物技術(shù)能夠在更加科學(xué)更加綠色的環(huán)境下發(fā)展。我們要進(jìn)行技術(shù)層面上的探討，對其中存在的一些不足進(jìn)行改進(jìn)，并且還要研制更加高效率的運(yùn)輸、貯藏以及分離等方面的技術(shù)。能夠使得這項技術(shù)為我國的天然氣領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)，使我國的天然氣能夠在世界中立足，占有一定的市場份額。我國目前在樓房的供熱與供電方面已經(jīng)有了聯(lián)合的處理方式，我們也可以將天然氣水合物運(yùn)用到這個領(lǐng)域，利用其它技術(shù)與天然氣技術(shù)的結(jié)合，對NGH進(jìn)行有效的分解，為樓房和其他建筑提供更加合適的燃?xì)饽茉?。我國的每一位新能源技術(shù)開發(fā)者都需要不斷提高自己的技術(shù)水平，要多積累專業(yè)知識，全身心地投入到研發(fā)工作中，并且要有足夠的責(zé)任心與創(chuàng)新精神，使得我們的天然氣供氣領(lǐng)域能夠更加持續(xù)、健康的發(fā)展。