天然氣加熱技術現狀與發展趨勢

摘" " " 要： 天然氣作為清潔能源之一，在工業、生活中已經得到了廣泛應用。為保證天然氣的安全穩定運行，通過加熱來提升溫度已成為預防天然氣水合物生成的一大關鍵技術。針對天然氣加熱技術這一主要方向進行了研究整理，對目前常用的加熱爐加熱、電加熱技術和先進的催化式紅外加熱技術、多源熱泵系統以及石墨烯加熱技術進行了綜述，并對其后期發展進行了進一步探討。

關" 鍵" 詞：天然氣； 加熱技術； 可持續發展

中圖分類號：TQ025.1" " "文獻標識碼： A" " "文章編號： 1004-0935（2023）02-0279-04

天然氣作為當前主要的清潔能源之一，現已在工業、生活中得到了廣泛應用，在石油化工行業中，天然氣的開采技術已經得到了廣泛的發展；但由于高壓天然氣流經節流閥時，流道突變產生焦耳-湯姆遜效應會導致溫度較低，甚至在節流閥出口處形成冰堵現象[1]，嚴重時會導致天然氣管道的堵塞、憋壓，因此預防天然氣水合物的生成對于天然氣的穩定開采、安全運行都起到了很大的作用。

當前，預防水合物生成的方法包括添加抑制劑以及升溫法、降壓法等破壞水合物的生成條件[2]。但添加抑制劑這一方法在實際操作中往往會因加劑量難以把握、加劑位置不準確等問題致使操作難度大大提升，而對天然氣進行加熱的升溫法操作便捷并且可以很好的提高加熱效果，因此天然氣加熱技術便得到了現場的廣泛使用。

近年來，隨著天然氣加熱技術的不斷發展，如何提升加熱效率、如何提升加熱溫度、如何利用可持續發展能源已成為了加熱技術的研究發展趨勢，本文也正是針對這一問題，對天然氣加熱技術進行了總結整理，并利用現有的加熱技術對其發展趨勢進行了一定的研究探討。

加熱技術現狀

針對天然氣的加熱有許多技術研究，目前國內最廣泛的天然氣加熱技術應用主要集中于水套/真空加熱爐以及電加熱技術，此類傳統加熱技術加熱溫度較高、加熱速度較快，因此在現場中得以廣泛應用；而對于催化式紅外加熱、石墨烯等先進加熱技術目前還應用較少，此類技術的研究國外開始較早，目前國內也進行了大量的研究工作，在加熱效率、加熱溫度上都得到了進一步的提高。

1.1" 加熱爐加熱

水套/真空加熱爐的性能特點主要集中在燃燒技術及傳熱和換熱技術上。水套爐主要采用兩種形式燃燒系統，一種是全自動微正壓燃燒器，一種是自然通風負壓燃燒系統[3]。隨著智能化以及自動化要求的提升，油田已開始采用配設全自動的燃燒器，這也使得加熱爐在自動燃燒技術上得到了提升與發展，實現了全自動燃燒功能；其次，當前加熱爐中采用了螺紋煙管、波紋爐管傳熱技術，增強了加熱爐的換熱效果，又采用相變換熱原理，充分利用水蒸氣的汽化潛熱來進行加熱，熱效率更是高于普通的加熱爐。同時，為了實現“節能減排”，加熱爐也利用多種余熱回收技術[4]來減少加熱爐燃料的消耗，真正為加熱爐進一步實現高效應用提供了技術保障。

2021年，長慶油田第十一采油廠就已擁有真空相變加熱爐就占有30臺，占現場加熱爐總數量的9%；這些真空加熱爐的平均壽命已達到了7年以上，最長使用時間也超過了10年[5]。

1.2" 電加熱技術

電加熱供熱技術是一種利用電能作為供熱源從而實現供熱的加熱技術，電加熱供熱產品主要分為電阻式電熱轉換和電磁式電熱轉換。電加熱技術本身就擁有很好的環保性和適應性，可以將天然氣加熱至220 ℃[6]；通過電熱技術優化，可以實現能源的合理綜合利用，同時也能為滿足原油生產儲運工作、提升技術創新升級水平創造良好的條件[7]。

當前電熱鍋爐制造廠生產的電熱鍋爐大都是電阻式的，加熱爐中電熱元件的形狀應用較為廣泛的是U形、高阻抗管形以及蛇形管，而采取電極式水介質電阻作為電熱元件的設備還未能得到油氣田現場的實際應用，因此電熱元件的構造設計在后期發展中也是研究的一個重點；同時，現今也研發出了氣田井口智能電加熱裝置[8]，針對操作彈性較大的升溫系統，通過智能控制可以達到智能調節、遠程監控和裝置無人化職守的功能，這對于新氣田的開采更是實現了油田智能化的要求。

1.3" 催化式紅外加熱技術

紅外加熱技術和催化燃燒技術是五十年代便研究和發展起來的新技術，催化式紅外加熱技術結合二者，將燃燒介質與催化劑混合，在催化劑表面的影響下，燃料會進行無焰的燃燒，也正是因為沒有可見光的出現，能量的損失便會隨之減少，這些沒有損失的大部分能量將會轉化為紅外輻射，以此來達到加熱的目的。

紅外加熱技術大都可以將加熱溫度提高至500 ℃以上，但此技術在油田應用尚淺，加熱效果還有待提高；催化燃燒的核心是催化劑的選擇和制備，良好的催化劑可提升反應活性、降低燃燒溫

度[9]。而如何利用這一技術對天然氣進行加熱、如何使用合適的催化劑、如何與現場實際情況相結合等這些問題還需今后對其進行進一步的研究探討。

1.4" 光熱-空氣源熱泵加熱技術

太陽能光熱與空氣源熱泵各有利弊，兩者互補是制熱技術的發展方向之一[10]。針對于光熱-空氣源熱泵加熱技術，E. B. Penrod和K. vPrasanna早在20世紀60年代就提出把太陽能和地埋盤管相互結合[11]，這一思想被提出以后便出現了大批國內外學者對其進行了深入的研究探討。在太陽能與空氣相結合的的復合熱泵加熱系統方面，當前研究人員主要是從單獨熱泵系統的構架組裝、改裝以及系統元件改進方面進行研究，以此來達到系統之間的適應連接。

國外對這一技術的研究出現了很多系統的設置研發以及技術改進，美國的JamesA.Eibling[12]、土耳其特拉布宗的KamllKaygusuz[13]等在原有技術支持下，對將太陽能集熱器、蓄熱水箱、熱水箱、換熱器、壓縮機、水源蒸發器、空氣源蒸發器、空氣源冷凝器和室外換熱盤管等進行組裝，最終研發出了具有多種運行模式太陽能與空氣相結合的熱泵系統；在后期發展中為了實現熱源溫度的有效提升，部分學者還利用太陽能空氣集熱器對空氣溫度進行了提升，并以此為依據建立了太陽能熱泵系統；近年來，應用太陽能光伏[14]來加大太陽能光熱的吸收也在此技術中得到了一定的發展。

目前，使用空氣源熱泵系統已經應用至油田現場中，但其結合太陽能光熱的技術還未得到實質上的應用，在天然氣加熱方面還仍待考究。

1.5" 石墨烯薄膜加熱技術

石墨烯是目前一種新型材料，它因為優異的高導電性、強機械性、高導熱性等特點[15]，使其在電熱領域具有非常大的發展空間；在當前的電子、能源、化工、材料等領域也是得到了廣泛應用。石墨烯材料的制備方法主要包括有化學方法和物理方法，其中化學方法包括化學氣相沉積（CVD）法、氧化還原法等，物理方法包括機械剝離法、液相剝離法、超臨界二氧化碳剝離法等；在制備用于電加熱的石墨烯薄膜時，制備方法則主要包括層層涂覆法、GO（氧化石墨烯）膜還原法、導電漿料涂敷法等[16]。

就目前發展來看，石墨烯主要是用于儀器的材料制備，利用本身特性以此來提升加熱設備導熱導電性能。現已制備出柔性石墨烯/碳納米纖維素/聚偏氟乙烯等復合型電加熱膜[17]，同時也研制出了CVD反應爐[18]等為石墨烯的制備提供了精密儀器。

加熱技術發展

在上述加熱技術中，隨著提升加熱效率、提高加熱溫度、增加資源利用率等要求的提出，其加熱性能要求也是在不斷提升。同時，為構建低碳環保的綠色能源發展體系，開發太陽能等可再生能源已成為發展的重要內容，國內外加熱技術的發展也正在向此方向靠攏。

2.1" 國內發展趨勢

對于水套/真空加熱爐的發展，主要是為了解決其運行中排煙熱損失、氣體未完全燃燒的損失以及散熱損失所造成的效率低下的問題，因此合理控制熱負荷、控制風量配比、合理改造燃燒器、加熱爐余熱回收以及加熱爐的預熱[19]便成了主要的發展內容，同時為實現儀器設備自動化，對加熱爐進行SCADA技術[20]改造也為今后井場智能化提供了發展方向；而對于電加熱技術，其發展趨勢包括有提升設備導電材料的導電傳熱性能研究、加熱器聯接形式研究、加熱元件位置放置性能分析、蓄熱器設計研究以及電加熱輔助供熱技術的研究。

國內對于加熱技術發展，在其他新興技術方面也進行了引進和研究。類似光熱-空氣源熱泵系統，國內張小松[21]等研制了一種新型太陽能-空氣復合熱源熱泵熱水裝置，并建立了系統的數學模型，研究了系統的運行模式與特性；根據太陽能輻射條件和空調負荷變化的幾種工作模式，劉業鳳[22]設計了太陽能-空氣雙熱源式熱泵及熱水系統。后期該系統的研發又逐步轉向了系統的安裝連接[23]、光伏組件的應用[24]、提質增效的研究上，更是出現了智能算法對系統的優化設計[25]。

在石墨烯發展方面，主要集中于薄膜的制備、復合材料的研制以及設備制作等方面。越來越多的學者通過大量實驗研究以此來制備性能更為優良的石墨烯材料，為今后石墨烯材料在加熱方面的應用提供了大量的技術支持；同時也研究出基于皮秒激光工藝的石墨烯薄膜微加熱器[26]等，但此類加熱器加熱溫度不高，在提升溫度方面還需進一步發展。

2.2" 國外發展趨勢

對于催化式紅外加熱技術發展，國外主要集中于催化劑的性能研究上，現已衍生出有貴金屬催化劑（Pd催化劑、Pt和Au催化劑等）、非貴金屬氧化物催化劑（CeO2等）、鈣鈦礦型氧化物催化劑、類鈣鈦礦型氧化物催化劑、尖晶石型氧化物催化劑、燒綠石型氧化物催化劑等[27-28]；針對光熱-空氣源熱泵系統的發展，主要集中于各種加熱設備系統的研究，對系統結構進行整體或局部的優化，以此使熱泵系統滿足負荷要求、提升其加熱效率，并且通過研究光熱組件等來提高資源利用率；在石墨烯方面，雖然目前該技術在天然氣加熱方面還存在溫度不夠高等問題，但后期研究表明，如何將石墨烯與復合材料結合、如何提高石墨烯導熱導電性能、如何適用于加熱設備中等都是今后石墨烯加熱的發展方向，并且經過研究現已衍生出石墨烯納米帶環氧涂層、全氟十二烷基石墨烯納米帶薄膜、石墨烯泡沫聚合物等復合材料。

3" 總結與展望

國內外對于加熱技術的發展集中于提升效率、降低成本、節約能源，利用新能源更是未來加熱技術的發展趨勢。目前，類似多源熱泵系統、石墨烯等技術在天然氣加熱方面還未得到廣泛應用，而這些新技術的發展國內外都在同步研究中，對今后天然氣加熱技術的應用也都會起到提質增效的作用。

對于天然氣加熱技術的后期發展，還有一些地方值得思考注意：

1）在加熱技術上，應該在導熱、導電性能以及余熱回收方面進行更深層次研究。加熱技術效果主要體現在傳熱效果上，利用有效的材料對技術進行研究一直都是今后加熱技術提質增效的優良保障；同時，將本會損失掉的熱量利用起來，對于降低燃料消耗等方面都將體現出現實意義。

2）在加熱設備的研究上，可以對設備的安裝方式、設備改造進行研究。像是研究設備串并聯的適用性、設備的元件改造、設備智能化等，這些都會在一定程度上對天然氣的加熱起到輔助作用，對實際的現場應用也會提供多種適用方法。

3）對于天然氣加熱技術的提升，可以更多的利用可持續資源進行發展。在綠色環保的基礎上讓資源得到有效利用，為后期技術的良性發展提供技術支持。

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Present Situation and Development Trend of Natural Gas Heating Technology

LU Tian-yue

（Xi'an Shiyou University， Xi'an Shaanxi 710065， China）

Abstract：" As one of clean energy， natural gas has been widely used in industry and life. In order to ensure the safe and stable operation of natural gas， heating to raise the temperature has become a key technology to prevent the formation of natural gas hydrate. In this paper， the main direction of natural gas heating technology was studied and sorted out. The commonly used heating furnace heating， electric heating technology， advanced catalytic infrared heating technology， multi-source heat pump system and graphene heating technology were summarized， and their later development was further discussed.

Key words： Natural gas; Heating technology; Sustainable development