中国水合物技术的应用

中国水合物技术的应用

油气081（10083860）任立棋

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