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可燃冰——一种天然气储运的备选方案(一)

已有 938 次阅读 2019-11-6 19:48 |系统分类:观点评述

(一)背景知识

 

天然气(主要成分是甲烷,CH4)与煤和石油等一次能源相比,具有相对低碳、杂质少、燃烧清洁充分、热值高等一系列优点,近些年随着页岩气等大规模开采成本的下降 ,天然气在国际能源领域的比重正稳步提升,包括BP(英国石油)、壳牌、雪佛龙等国际大型石油公司纷纷将业务重心向天然气领域转移,并积极建立相关产业链。

               图1、1965-2017年各类能源消费占比变化

               (数据来源于BP能源统计年鉴2018

绿:石油,黑:煤炭,红:天然气,蓝:水电,黄:核能,橙:其它可再生能源


对于国内而言,随着环保等要求的进一步提升,天然气的年均用量也在快速增加,而我国的一次能源结构特点为“富煤、贫油、少气”,国内天然气的产量与消费差距在逐年加大,2017年进口了900多亿立方米天然气以填补消费缺口,2019年这个数字很可能会超过1000亿。

               图2、2007-2017年国内天然气产量与消费变化

               (数据来源于BP能源统计年鉴2018

 

天然气产业链包括供应(开采)、流通(运输、存储)和消费(化工、供暖、发电等)三个环节,其中的流通环节在未来仍有很大的拓展空间,这是因为天然气(气体)的储运要比煤(固体)和石油(液体)困难得多,如果在此方面有了突破,未来国际能源领域中天然气的比重将会进一步快速提升。

当前天然气进口及运输的方式主要有两种:管道运输和液化运输。二者各自存在优势和局限。

1-1、管道运输:

    管道运输天然气的特点包括:1、输送系统管径大,输气压力高,通常可达5-7MPa,即标准大气压的50-70倍(50-70 atm);2、输气量大且连续稳定,供应有保障;3、输气距离长,安全性高,对环境影响小。因而管道运输适用于主要产气区向经济发达的消费大户地区进行集中供气,如我国的“西气东输”工程。

图3、我国“西气东输”工程示意图

 

管道输气也存在一定的局限,比如以下几点:1、建设前一般需由政府/地区间签订长期合同,前期投资费用较高,管道路径受地质等条件限制,建成之后不易改动;2、整个系统由管道及压缩机站等多部门复杂构成,各部门紧密联系且相互制约,在设计与管理上难度要求高;3、供气价格通常由贸易谈判而非市场现行决定,且输气量相对恒定,缺乏市场调控能力与季节适应性。因而对于那些产量有限的分散性小气田,以及大量中小城镇等小规模用户而言,采用管道输气在经济上并不合算。

1-2、液化运输:

天然气(CH4为主)在常压下冷却至-162℃时将凝结成液化天然气Liquefied Natural Gas,简称LNG,其体积是气态时的1/625。天然气进行液化储运的优势在于:1LNG单位能量密度大,运输效率高,适用于管道输气未覆盖的用户集中地区;2、运输方式多样化(包括公路、铁路、船舶等),可通过跨洋航运实现远距离贸易;3、供应灵活,可根据季节与市场的实际需求进行调节,供需双方进行“点对点”式交易,成交价格由市场决定;4、与管道输气相配合,可根据实际需求实现储气调峰。

图4、LNG产业流程示意图

 

LNG的自身属性导致了其在储运过程中也存在一定的安全隐患,比如:1、保存温度非常低,相关储运设备的制造及维护成本都很高,人员操作时要防止接触冻伤;2LNG极易吸热,任何热量传递都可能引起体系蒸发沸腾,储运时须做好绝热以防容器超压爆炸;3、与水接触会出现快速相转变现象,能从水中迅速吸热并剧烈沸腾,如不及时控制有可能发生冷爆炸,因而其在储运过程中需严格防水;4LNG一旦外泄,会迅速从周围环境中吸热蒸发,造成局部范围的低温、缺氧,并与空气快速混合至爆炸极限(5-15%) ,从而产生更多的安全隐患。

综上所述,LNG有以下的储运特点:1、深冷温度,高能量密度;2、高配套成本,高附加值;3、更适于天然气的短时运输,而非长期存储;4、从经济性上来看,同样不适合服务于分散性气田及小规模用户。

1-3、天然气的存储:

针对不同类型的能源,研发更加安全、高效、大规模的存储方式,将成为未来能源领域发展的重要方向。管道及LNG均只适用于天然气的运输而非存储,当前主要的存储方式可分为地上和地下两大类,二者的典型代表分别为压缩天然气储罐与地下储气库。

    压缩天然气(Compressed Natural GasCNG)是指将天然气在常温高压条件下进行存储,其压力可达150-250 atm,体积可压缩至气态时的1/250CNG具有操作简单、技术成本低且相对成熟等优点,从而便于开拓市场,在一些地区(比如黑龙江大庆市)已广泛用作车载燃料。不过由于其存储压力大,对容器材质要求比较高,也存在一定的安全隐患;除此之外,CNG的能量密度低于LNG,作为车载燃料时储罐的体积与重量都很大 ,导致气体装载率较低,使车辆在行驶里程上无法与汽/柴油等液体燃料相抗衡。

1.bmp

                              A                                                                                               B

5CNG储运罐(A)与车载高压罐(B

 

与地面存储方式相比,地下储气库容量大、机动性强、调峰范围广,单位造价与运行成本更低,安全可靠性强,能够优化输气管网运行,协调实际供求关系,提高经济效益,实现战略储备,是当前天然气大规模存储的最佳方式。地下储库的类型包括枯竭油气藏储气库、含水层储气库、盐穴储气库以及废弃矿坑储气库等,现行国际上以前两种为主。地下储气库也有一定的局限性,包括:1、选址受一些地质条件限制,总造价高;2、有些类型的储库需要提前充入较高比例的垫底气(缓冲气),额外增大了工程的建设投资与运行费用;3、另外,还要考虑一部分高压库容气体通过地下孔隙逃逸所造成的损失等。

    除了CNG和地下储气库,其它类型的存储方式也一直在探索当中,例如:1、天然气的吸附存储,即在常温、中低压(35-60 atm)条件下,将天然气储存在吸附剂当中,但由于在选择吸附剂、提高吸附效率与储气密度等诸多问题上长期未得到满意的结果,该技术的成熟推广仍需待以时日;2、将天然气转化成其它产品进行存储和利用,如工业制甲醇,以及费托合成制高碳烃等;3、燃烧天然气发电进行存储与传输,暂且不讨论该方案执行过程中的能量损失问题,单要对电能进行大规模安全高效的存储,也是当前全球亟待解决的重大难题之一;4、除此之外还有一种方案,是将天然气转化成固体进行存储 ,即本文关注的重点——天然气水合物的人工合成与储运。


注:

1、参考资料见《可燃冰——一种天然气储运的备选方案(五)》文末。

2、本文图片来自于资料及网络,无商业用途。




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