天然氣水合物技術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進行適當的研究分析，確定其技術特點，并相對于其他天然氣技術進行比較，諸如壓縮天然氣技術、液化天然氣技術以及吸附天然氣技術，對天然氣水合物技術應用于燃氣行業進行有效論證。在此基礎上，對該技術流程提出設想，并對其技術工業化應用所存在的問題進行闡述。

關鍵詞天然氣水合物技術；燃氣行業；技術流程；工業化應用

中圖分類號TU99

文獻標識碼A

文章編號2095-6363（2017）04-0021-01

1.研究背景

在新時期條件下，隨著世界各國經濟的高速發展，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境的負擔，對生態環境產生一定的損害。在此前提下，開發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，因而被多數國家作為主要新能源進行開發和利用。天然氣開發技術目前投入商業運營的主要有液化和壓縮天然氣技術，天然氣吸附和水合物技術，目前仍在研究中。燃氣行業目前主要應用的天然氣技術為液化和壓縮2種，主要應用于中小城鎮的非管運輸氣化供氣及儲存等。天然氣水合物技術作為天然氣技術的新興研究，其具有很大的發展和應用空間，加之我國海洋和凍土區具有相當數量的自然天然氣水合物礦藏，因此，其具有很大的研究價值。目前我國已經在此項技術上進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技術與特點進行討論，旨在開發出更加有效、綠色環保的天然氣供氣方案。

2.天然氣水合物技術及其相關特點研究

2.1天然氣水合物的定義

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

2.2 NGH供氣技術的特點

通過對NGH的相關物性的研究，我們得到NGH的部分參數，可以根據這一系列參數進一步研究NGH供氣技術的相關特點：

1）NGH能夠在2MPa～6MPa的壓力條件下進行制備，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，其不需要脫水和重烴，相同的還有除酸氣等的嚴格工藝。由于天然氣中存在丙烷等重烴類物質，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構，穩固烴類水合物，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烴對生成NGH具有促進作用。

3）在與LNG供氣技術進行比較時，NGH的熱導率是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及常壓的條件下進行穩定儲存，所以其供氣技術對制造儲存容器的材料要求不是很嚴格。

4）具有良好的安全儲運性能。

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

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

2.3天然氣水合物技術的前景

液化天然氣和壓縮天然氣技術是我國目前使用最多的供氣技術，并且新開發出來的吸附天然氣技術流傳也越來越廣泛。各個技術都有其獨特的特點。對于液化天然氣LNG和天然氣水合物NGH來說，通常在常壓下進行使用，對于壓縮天然氣CNG來說，需要的壓力最大，能夠達到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在生產過程中不需要太復雜的工藝，并且成本相對較低。但是NGH在生產儲運過程中需要消耗一部分水，這部分水看似會增大成本，但是卻能夠循環重復利用，是一種綠色環保的生產方式。其他的技術也有需要占用儲存空間的，但是卻不能像NGH一樣能夠充分的進行重復使用。通過研究調查與各個方面的比較，可以看出將NGH技術運用到燃氣領域是十分恰當的。

2.4 NGH的流程

當前我國的NGH技術還沒有十分的完善，因此，在一些技術上還存在一些漏洞。但是，由于NGH獨特的技術優勢，研究人員認為NGH必將會成為未來天然氣領域的重要技術。主要通過在NGH礦田中開采，再進行運輸與分離，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，首先運輸到指定的分解場地，進行熱交換處理，能夠使NGH釋放出天然氣，再進行壓縮后輸送給用戶。運用這種方法能夠很大程度的節約成本，在生產與運輸過程中都會節約下大部分的資金，能夠將整體的工程造價降到規定的水平。

3.NGH技術還需要進一步完善

世界上各個國家都在能源的開發與持續利用方面進行不斷的探索與研討。因此我國更應該加快發展的腳步，利用新技術進行天然氣的研究，目前已經取得了很好的進展，天然氣水合物技術就是一個典型的例子。為了更好地進行這個技術的探索，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行節約的研究，使得整個天然氣領域能夠更加環保，更加與我國持續發展的指標相符合。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的效率也要進行進一步提高。使整個反應過程能夠在經濟與快速的狀態下進行，提高傳熱與傳質的速度。NGH技術還需要進行探討怎樣能夠更加便捷的進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，這樣就能夠提高運輸的效率與質量，使得每一次運輸都能在更加經濟的狀態下進行水合物的傳運。并且在天然氣水合物裝載與卸載方面也要進行合理的改進。

4.結論

天然氣水合物在我國的很多地區都有發現，因此，這是一種新的能源技術，并且此項技術存在許多優點等待開發，我們要抓住這個機會，進行此項技術更深層次的研究與創新。我國也要在這方面多進行人才的培養，在各大高校開設此類的課程，使天然氣水合物技術能夠在更加科學更加綠色的環境下發展。我們要進行技術層面上的探討，對其中存在的一些不足進行改進，并且還要研制更加高效率的運輸、貯藏以及分離等方面的技術。能夠使得這項技術為我國的天然氣領域做出貢獻，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有了聯合的處理方式，我們也可以將天然氣水合物運用到這個領域，利用其它技術與天然氣技術的結合，對NGH進行有效的分解，為樓房和其他建筑提供更加合適的燃氣能源。我國的每一位新能源技術開發者都需要不斷提高自己的技術水平，要多積累專業知識，全身心地投入到研發工作中，并且要有足夠的責任心與創新精神，使得我們的天然氣供氣領域能夠更加持續、健康的發展。