中国水合物技术的应用

中国水合物技术的应用
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摘要：在中国，天然气已成为城镇用气的主要来源。

靠管道从气田给中国的每一个城市供气是一件难事，本文介绍天然气水合物(NGH)技术的目的就是为了解决这一问题。

把这一技术同液化天然气(LNG)技术和压缩天然气(CNG)技术相比，我们得出结论，NGH技术有许多独特的优势：生产和储存条件要求低、技术简单并且安全性高。

一条国内的NGH 供应链包括NGH的生产、道路运输、NGH的再次气化以及气体的分配。

此外还对比了NGH 和LGH供应链的成本分析。

结果表明，在中国，通过NGH技术供气更具成本效益并且具有很强的竞争力。

鉴于NGH技术的优势和经济效益，我们认为NGH技术在中国有一个广阔的应用情景并为实现该技术的商业应用提出了一些建议。

关键词：天然气水合物、供应链、燃气供应、可行性研究。

一简介
随着世界原油资源的不足，天然气作为一种干净的能源被用于烹饪、电力、供热以及固定发动机的燃料。

天然气将成为主要能源之一，煤和石油也是主要能源，并且天然气的消耗正在急剧增加。

天然气的运输经济很大程度上依赖于天然气气田的年产量和运输距离。

然而，消费者和现有的天然气运输管道通常远离天然气气田，在这些有气田的地方天然气输送管道的安装和运行不会经济实惠，在中国，并且有相当数量的天然气气源的产量低。

怎样经济实惠地运输和储存天然气已经成为发展中国家讨论最为激烈最引人注目的问题。

为解决这一问题，LNG和CNG技术已被选择来运输天然气并已投放到中国燃气行业的粗放经营中。

此外，LNG和CNG技术也被广泛用于天然气储存和城市天然气调峰。

使用LNG技术可以减少气体体积到原来的约620倍，使用CNG技术可以减少到约原来气体体积的200倍。

因此，通过这两种技术单位体积的运输成本和储存成本就大大降低。

LNG和CNG技术已在燃气行业使用了数年。

除了这两种技术，一些技术，尤其是NGH技术正在开发来储存和运输天然气。

本文结构如下：第二部分介绍NGH，分析NGH技术特点并讨论该技术在未来的潜在应用。

第三部分重点阐述NGH技术在中国的应用前景并提出一条国内NGH供应链，讨论这一供应链在技术和经济上的可行性。

第四部总结NGH技术在中国有一个广阔的发展前景并针对NGH技术提出了一些建议。

二天然气水合物技术
A.天然气水合物
在一定的温度和压强下，一种稳定的像冰一样的水晶体物质可以在有天然气和液态水的存在下形成。

在固态晶体中，主体水分子形成笼式结构，这种结构可以包住客体气体分子，比如天然气中的甲烷、已烷、丙烷和一些非烃分子通过范德华引力作用。

这些固态晶体就被称为天然气水合物。

B.NGH技术的特点
在生产所需压强和温度下，1m3 NGH通常包含150-180sm3的天然气。

因此，对于储存和运输天然气，天然气水合物具有潜在的经济价值。

表1列出了NGH的一些技术参数
根据表1我们可以获得NGH技术的一些技术特点，如下：
1）温和的生产条件：NGH可以在压强为2-6MPa温度为0-200C的条件下轻松形成。

相比于前面的LNG的温度（160度）和CNG的制备压强条件（约为20MPa），NGH的制备条件更加温和并且NGH的形成不需要低温制冷过程和昂贵的多级压缩设备。

2）天然气的净化要求低:为了避免天然气水合物的形成物和水在冷冻时结冰引起管道和设备的阻塞，天然气中的酸性气体成份引起管道和设备的腐蚀，早期液化之前，必须干燥天然气气并除去其中的酸性气体和重烃分子。

然而，天然气水合物的形成需要水并且在同等温度条件下，重烃分子的存在可以使得形成时需要的压强显著降低。

此外，在天然气中适当的存在一些酸性气体（除CO2和H2S）可以使水合物的结构更加稳定。

同液化天然气相比，在天然气水合物化之前，天然气必须干燥和其中的酸性气体必须出去的要求就不那么严格。

3）储存成本低：当NGH冷冻至-15度时，它在标压下分解非常缓慢。

此外，NGH的导热系数大约是18.7/(m.k)。

因此，NGH可以稳定的储存在简单的绝热密封罐中。

相比于LNG 的储存罐，NGH不需要耐低温性更好的储存罐而且价格更低廉。

这就是的以水合物形式储存和运输天然气更具成本效益。

4）安全性高：气体分子位于由水分子形成的晶体结构内部。

因此，只有使晶体结构融化成气体才能被释放出来。

在0-20摄氏度的条件下，冰晶体解冻的潜在热量为5000-6000KJ/Kg。

分解NGH需要巨大的能量。

考虑早低温条件下天然水合物的导热系数较低，这些都可能提高了在标压下储存和运输天然气水合物的安全性。

5）再气化方法简单：在目的地，通过加热再气化和减压的方式可以使NGH从新回到气体和水的状态。

这两种方法技术都比较成熟并且NGH的融化不是一件难事。

6）分离方面的技术困难：典型的天然气水合物的密度约为900kg/m3，这还取决于气体的组成成份和形成时的压强和温度。

由于这种水合物的密度和液态水的密度有一点不同，在生产NGH时想通过重力离心机把液态水从水合物中完全分离出来便不容易。

NGH
中水的存在将会增加NGH的储存和运输成本。

C.NGH技术的应用：
NGH技术因有多种应用目的而在世界各地正在得到开发，如下：
1）经济有效的利用滞留气体。

滞留气体指的是伴生气体，伴生气体通常是位于管道底部的少量气体，非伴生气体是指离现有管道很远或不能经济有效的由天然气管道运送的气体和边际气体。

NGH技术可以把滞留气体带回市场并实现其商业价值。

特别是对有着丰富煤矿资源的中国来说，这种水合物技术可以被用于有效恢复煤层气。

均
2）天然气的输送。

在一些气田远离市场并且不能经济有效地通过管道把天然气送到有市场的地方，NGH技术可以运输天然气就如同NGH技术和CNG技术一样。

3）通过NGH为国内消费者输送天然气。

一些城市远离气源或天然气管道，在源头我们把天然气转化成化合物然后输送给工业和居民以满足他们对天然气的需求。

4）储存天然气以满足需求高峰。

对天然气需求高峰而言，NGH技术被作为气体储存的一种全新方式。

5)用NGH作机动车燃料。

考虑到环境污染的加剧和NGH有较高的安全性，它可能会被当作机动车未来清洁燃料的替代品。

三 NGH技术在中国的应用情景
A、国内天然气的供应方式：
由于严重的煤烟型污染和环境关注，近年来，中国政府一直试图改变中国的主要能源消费结构。

天然气作为一种主要的清洁能源，正在越来越多的受到发展中国家的关注。

许多天然气工程已经开始实施，比如，西气东输项目，陕北天然气走向北京，液化天然气进口项目等。

为了充分利用天然气，国家发改委于2007年8月30日制定“天然气利用政策”。

根据该政策，在中国必须优先使用天然气作为城镇燃气资源。

然而，中国东南部和西部地区天然气分布不均，经济发展不平衡（见图1）。

发达的中国东南部地区对天然气的需求急剧增加但又有着缺乏天然气资源的特征，而发展中的中国西部地区（约占中国大陆天然气资源总量的76%）天然气需求相对较低并且天然气资源丰富。

尽管天然气可以通过管道从资源丰富的西部地区输送到东南部地区，但是考虑到成本风险，地理条件和市场规模，给每个城市特别是中等规模和小城市供气还是不可行的。

图1显示的是中国现存的天然气输送管道，该图显示现存的天然气输送管道仅仅把气田和大都市连接起来，并给输送管道沿线的大城市供气，许多天然气需求城市（包括西南部的许多城市）不能通过天然气输送管道这一方式使用天然气。

因此，近年来，LNG和CNG技术被广泛用于天然气不能到达的地方。

在中国的许多
城市都有很多LNG（或者CNG）的卫星地面站，在这儿，LNG被再次气化（或CNG被解压）然后天然气通过管道供给居民和工业。

鉴于前面提到的NGH技术的特点，许多学者和工程师希望该技术能像LNG和CNG技术一样被广泛用于内陆地区的用户的天然气供给上。

B、技术比较
LNG、CNG和NGH技术之间的比较详见表2.
NGH生产不需要LNG生产的低温制冷过程和昂贵的CNG生产需要的多级压缩。

另外，NGH的净化成本和储存成本是最低的。

尽管NGH每立方米储存气体的能力相对低点，但它仍然具有吸引力，因为它的生产更容易更安全更廉价，储存和运输成本也更廉价。

同比于CNG每立方米220sm3(20Mpa的高压)或LNG每立方米620 sm3（-162.2℃的低温），这就使得燃气供应使用NGH技术更具魅力。

C、燃气供应使用NGH技术
Gudmundsson等人总结出NGH技术非常适合于中低等运输能力(<109sm3)和中短途运输距离（<5000km）。

因此，在中国，使用NGH技术给没有天然气资源或管道的城市供气成为可能。

一条国内的NGH燃气供应链如图2所示，同LNG和CNG燃气供应链类似，NGH 燃气供应链包括4个主要环节：生产、道路运输、再气化以及经由管道网在城市中的输送和分配。

NGH由NGH专运车从NGH工厂或者NGH源头运送到卫星地面站。

在卫星地面站，NGH 被分解为天然气和水。

然后气体被传送到输送管道并提供给用户。

NGH工厂可以建在天然气源头或长距离管道输送可行的地方。

天然气可转化成含水的水合物。

图3是简略的工厂原理流程图解。

首先，把水注入到装水的容器中，然后，再倒入冰容器中把水转变成冰/water slurry水泥浆。

在气液分离后把浆和天然气注入到水合物反应器中生产出水合物/水的混合物。

随后，水合物中的水通过一个分离器被分离出来以使得这种化合物尽可能干燥。

随后又把水合物投放到制冷系统中，在制冷系统中水合物可以被冷冻到储存温度-15℃。

这种冷冻的水合物被存放到绝热密封的储存罐中一直到它被装载到专运车并运送到卫星地面站。

图4所示的是NGH再气化过程。

在卫星地面站，NGH被输送到一个保温储存罐中，这个罐的大小由地面站燃气供应范围及NGH工厂和地面站之间的距离决定。

一定比例的水在热交换器中加热然后泵送至一个直接连接到热交换器的设备中来溶解水合物。

水合物被分解成天然气和水，这样，气液混合物得到分离。

（。

）被分离的水被泵送至一个水容器中。

为了是这条供应链成本更高效，一定量的分离水可以回收并运送到工厂再次利用，其余的水被循环作为热介质来溶解水合物。

另外，分离水中含有水合物晶体，这将加快水合物的生产速率.
D、使用NGH技术供气的成本分析
该技术的经济效益决定了将来它是否会被开发并成功应用，这就有必要为NGH技术作出成本分析。

根据基础于优化的两条供应链的成本分析得出的结论是LNG燃气供应技术的单位热值成本要比CNG燃气供应技术的低很多。

本文中对NGH供应链和LNG供应链的成本做出了对比。

因为这两条链的第四环节都是由管道输送分配天然气，相应的成本也就一样。

因此这两条链之间的对比仅包括生产成本、运输成本再气化成本。

然而，NGH技术还在实验研究的初始阶段，该文中描述的NGH技术仅仅是NGH技术应用于中国的一个最初构想。

国内的NGH技术缺乏详细的原始数据，这个成本分析是基于外国学者的研究成果，表3给出的是在相同容量（40x108m3的天然气）相同运输距离（5.5x103km）条件下对NGH供应链和LNG供应链的成本做出的对比。

这两条链的每一环节都包括资本投资、安装成本、操作和维修成本以及劳动成本。

从表3中可以得出结论，NGH链的总单位成本显著低于LNG链的总单位成本（约低20%）。

没有复杂的天然气净化和深度冷却，NGH生产的单位成本比LNG生产的单位成本约低37%，尽管一立方米LNG比NGH能容纳更多的天然气，但是由于LNG需要昂贵的低温储存罐，因此LNG的单位储存成本自然要高于NGH的运输成本。

但是在再气化环节中两者都用到自然热汇，涉及许多设备的NGH的再气化成本比LNG的再气化成本高9%。

尽管表3中的运输成本数据是根据长距离的海上运输得到的，但得出的结论是比较其他两种供气技术（LNG和CNG），NGH供气技术的成本效益最好。

此外，NGH技术本身更安全。

这使得NGH地面卫星站的定位更加灵活，NGH运输车辆在繁忙的高速公路上行驶时更安全。

因此，在不久的将来，在管道的协助下NGH技术可能成为中国最有潜力的燃气供应方式。

四总结
根据NGH参数我们已经分析了它的特征。

这些特征表明该技术对天然气的储存和运输都极具吸引力。

文中还提到了NGH技术的一些潜在应用。

对于中国政府而言，这些便是研究该新技术的目标所在。

但是，通过NGH给管道输送不太可能到的地方供气是现在最紧要的。

国内的NGH供应链已经被提出并对其作出描述，为了了解NGH供应链的灵活性，在LNG、CNG和NGH三者之间作出了技术比较，在NGH和LNG两者之间作出了经济比较。

结果显示，如果NGH技术用于给国内消费者供给天然气，在成本、供给安全以及简易性上NGH技术要优越于LNG技术和CNG技术。

然而，现在NGH技术仍处于实验阶段，我们相信随着该技术的发展将来通过NGH技术供应天然气的成本一定较低。

为了实现NGH技术的商业应用，那么以下技术问题就需要解决：如何以最佳方式提取NGH产物的最大热能、怎样以最佳方式提高NGH的生产速率、如何以最好的方式从密
度相近的固态水合物中分离出液态水以降低储存和运输成本以及以怎样的方式装载和卸载水合物。

制造商应该研发和制造NGH储存罐和NGH专运车。

另外，政府应该考虑制定关于NGH生产、储存和运输标准。

我们预计NGH技术将会有一个广阔的前景并且在中国由NGH供应天然气将会是使用管道运输的LNG技术和CNG技术的一个极具吸引力的替代品。