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可燃冰——一种天然气储运的备选方案(三)

已有 873 次阅读 2019-11-6 20:52 |系统分类:观点评述

(三)应用场景

 

当前针对“可燃冰”(NGH)的研究重点在两方面:1、其天然储量的勘探与可控开采;2、输气管道中的预防生成。对于人工合成NGH及应用前景等问题,尽管国内外一直有机构在持续研究,但可能由于缺乏清晰的共识,进展相对缓慢。


LNG

CNG/地下储库

NGH制备

NGH存储

温度/℃

-162

常温

<10

0~10

>-20

压力/atm

1

200~300

≤100

≤100

1

状态

液体

气体

固体

密度/t·m-3

0.43

0.23

0.85~0.95

气体容量/m3·m-3

625

200~300

160

表2、NGH与LNG、CNG(地下储气库)的物理性质比较

地下储库可看作在地下以CNG的方式存储天然气,其设计压力可以高达300atm

 

表2列举了NGH与液化天然气(LNG)以及地下储库/压缩天然气(CNG)各项指标的对比。可以看得出NGH的优势在于其制备、存储条件相对温和,操作成本较低;而劣势在于单位体积的气体容量小(储气密度低)、重量大。因而我认为人工合成NGH的应用前景主要在于:更加经济、灵活地连通分散性气源与小规模用户之间的供需渠道;以及与地下储库相配合,实现更加广泛、安全的天然气大规模存储。可以预想到以下几个应用场景:

3-1、收集、存储分散性气源的天然气,促进节能减排。

    矿井上有很多分散性气源,包括煤层气、油井伴生气,以及采用常规开采手段缺乏经济效益的低产气井等,以往缺乏有效的手段对这些分散的天然气进行收集,有时出于安全考虑,只能白白烧掉。倘若研发一种车载NGH制备及存储装置,直接在矿井现场将天然气转化为固体形式进行集中储存和对外运输,则有利于实现资源利用,促进节能减排。

图11、各种形式的矿井分散性气源

 

图12、油田常见的“火炬”,出于安全等考虑,往往将油井伴生气烧掉

 

3-2、保障偏远地区以及小规模用户的能源供给。

NGH储运的技术成本较低,有利于保障高原、海岛等偏远地区的燃料供应。对于欠发达国家和地区而言,采用更易普及且抗风险能力更强的NGH储运来替代管道与LNG运输,更易确保能源补给的持续稳定,从而促进当地的经济发展与民生改善。

3-3、建立更广泛、安全且低成本的大规模天然气存储设施。

NGH的存储条件相对温和,建设及维护成本可控;另外,储库选址不受地质条件过多限制,地壳稳定且水源充足即可,因而可以建立选址更广泛,且更加安全、低成本的大规模天然气存储设施,与地下储库协同确保用气调峰以及战略储备。在实际的日常管理上,可以通过“二元调控”(温度与压力二者协调)来实现NGH的稳定存储,从而扩大调控范围,提高安全系数。

3-4、结合现有设施,使天然气开采与储运更加安全可控。

NGH的特点在于:在合适的温压范围内,天然气遇水即可生成;其状态为固态,热导率低,隔热性好,有利于实现低温常压存储;并且分解放气时体积不会突然膨胀,因而可以考虑将其添置到现有设施当中,来提高天然气开采与储运过程的安全性。比如在采气井口添置可快速生成NGH的安全阀,一旦发生高压溢流情况,能够快速生成NGH自行封堵;同样的设备也可安装在输气管道以及LNGCNG储罐外,以防突发气体外泄 ;NGH良好的隔热性有利于阻止被封堵的LNG快速吸热沸腾,并可将天然气由深冷液态转化为固态形式来减缓外溢速率,从而提高了安全性。

3-5、利用NGH的附加属性,作为冷源以及存储淡水等。

NGH热导率低,分解时需要吸收大量热能,因而可作为冷源加以利用;另外,NGH在存储天然气的同时,可在0℃之上以固体的形式保存淡水,这些属性使得NGH可为炎热缺水的海岛及干旱地区同时提供燃料、生活用水和制冷。

3-6、发展沼气产业,促进乡村振兴。

沼气也是我长期关注的一个方向。一方面,随着环保要求的日益提高,大量农林废弃物与城镇餐厨垃圾有待合理处置;另一方面,随着我国天然气供需差距的逐年拉大,应考虑将发展沼气工程看作未来天然气供应的一项重要补充。

与德国等发达国家相比,当前我国农村沼气工程的工业化程度还比较低,除少数大规模养殖场以外,多数仍采用“一户一(沼气)池”的分散式管理方式,在资金与技术投入、日常运营以及配套设施等多方面存在短板。缺乏系统的管理使得这种“分散式”沼气池难以发挥其最大效益,因而在很多农村被逐渐弃用,而每年却仍有大量的农业废弃物无法得到充分有效的利用,导致了一些地区秋冬季“烧秸秆”的问题多年屡禁不止。

针对上述问题我有以下想法:1、对农林及城镇有机废弃物在有限范围内开展集中治理;2、尝试建立“一村一站”式的农业废弃物集中处理站,在本村范围内统一进行资源回收,以及沼气的工业化制备、存储和供应,并结合沼液、沼渣等附属产品协同发展生态农业(国内已有生态农场正在进行相关研究),提高农业收入,减少环境污染,助力乡村振兴。沼气作为分散性气源,同样可以采用NGH的形式进行收集、存储和运输,同时还可为居民储存生活与农业用水,并提供制冷用于夏季防暑降温,以及农产品的冷藏保鲜等。

3-7、处置有害气体。

最早提出“气体水合物”概念的是英国著名化学家Davy(戴维),他在1810年与学生Faraday(对,那个公众熟知的法拉第)首次合成了氯气水合物。实验证明,氯气水合物在常压7℃的条件下即可生成。除此之外,二氧化碳(CO2)、硫化氢(H2S)等气体也都可以形成水合物。由此推想:可以将这些危险性气体以水合物的形式进行储运;或者如同“3-4”描述的那样,在常规储罐外添置防护设备,来进一步预防有害气体外泄。另外,针对天然气开采过程中可能会发生的大量有害气体外溢,当开采的天然气中H2S组分含量超标时,可通过形成硫化氢水合物的形式进行封堵和清除。

3-8、其它应用。

 当前能想到的除上述场景外,文献上还提出了其它一些可能的应用前景。如图13 所示,有文献尝试对几种天然气的运输形式进行了成本比较,并推论当运输距离超过1000公里时,NGH比管道和LNG更具成本优势。除此之外,一些研究机构还在开展将NGH用作车载燃料的相关课题,但如前面所述,相对于LNGCNG而言,NGH的单位质量大,储气密度低,缺乏竞争力,因而我对该研究方向暂持保留态度。

7.bmp

图13、对于几种不同的天然气运输形式,其运输距离与成本的关系

 

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、本文表格根据资料数据自行绘制;图片来自于资料及网络,无商业用途。




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