有句俗語叫“冰火不相容”。北京化工大學化學工程學院教授張建文團隊，正在開展的一項研究則是寓火于冰——研制人造可燃冰。近日，在項目中期驗收會上，張建文介紹了該項研究的進展。
人造可燃冰是一種天然氣水合物。天然氣水合物是由天然氣中的氣體分子在一定溫度和壓力條件下，與游離水結(jié)合形成的結(jié)晶籠狀固體。天然氣水合物在常壓、常低溫下就可以長期穩(wěn)定儲存，經(jīng)氣化后即可得到高效利用。
事實上，天然氣水合物自然界早已有之，如青海省祁連山凍土地帶的水合物、南海地區(qū)的水合物等。但是，天然水合物的應(yīng)用卻面臨著開采困難、天然水合物中能量密度低等現(xiàn)實。
“因此，如何師法自然、通過創(chuàng)造適宜的環(huán)境條件，快速、持續(xù)地制造可燃冰就成為解決天然氣水合物開發(fā)利用的關(guān)鍵技術(shù)之一。”張建文介紹。
從防治“冰堵”得靈感
研制可燃冰并非張建文團隊的初衷。最早擺到他們面前要攻克的科研難題是“冰堵”。
近年來，西氣東輸管道二線、大—沈管道(大連—沈陽)等天然氣管道均發(fā)生過冰堵問題，給管道的正常生產(chǎn)造成較大的影響。發(fā)生冰堵的原因是管道內(nèi)部有液態(tài)或氣態(tài)的水存在，溫度較低時結(jié)冰堵塞管道，造成泄漏或停輸事故。
“水在結(jié)冰的過程中，會把天然氣里的甲烷等氣體包在冰里面，形成可燃冰。要想防冰堵，首先要了解管道內(nèi)天然氣水合物形成的機理，由此衍生出一個新的研究方向，根據(jù)這一原理來制造可燃冰，”張建文說道。
依據(jù)天然氣水合物形成的條件，北京化工大學研究團隊從熱力學、動力學角度進行了數(shù)值模擬，為反應(yīng)器設(shè)計提供了理論依據(jù)，并進而提出了液相連續(xù)、氣相分散的可燃冰制備流程，目前已經(jīng)申請了多項專利。
在該專利技術(shù)中，高壓天然氣經(jīng)一組噴嘴噴入反應(yīng)器底部的低溫、高壓水流中，形成微細的氣泡并與水發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)生成的水合物與過量水形成流動漿料，排入中間罐進行氣—液分離。漿料自動濃集后，經(jīng)過濾除去水分。最后進行造粒，形成適應(yīng)不同用途的水合物顆粒。
制備而成的可燃冰并非人們想象中的冰塊。張建文向科技日報記者展示的圖片顯示，一白色塑料桶內(nèi)盛有的乳白色膏狀固體物質(zhì)便是可燃冰，與其說是冰，不如用“冰淇淋”來形容更準確。該物質(zhì)一經(jīng)點火，便可以燃燒。
張建文介紹，目前已完成規(guī)模中試，建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套天然氣水合物制備技術(shù)，工藝、設(shè)備均擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，形成了完整的研發(fā)—設(shè)計—制造隊伍，還開發(fā)了相應(yīng)的工藝軟件包。
“美國能源部報告稱，制備出的天然氣水合物，如果1立方米中含有120立方米的天然氣，該項技術(shù)即具有經(jīng)濟價值。采用我們的技術(shù)，制備出的天氣水合物的含氣量可達到每立方米含160立方米以上的天然氣。”張建文表示。
新型天然氣儲運方式
人造可燃冰和自然界形成的天然可燃冰一樣嗎?張建文介紹，二者在結(jié)構(gòu)上是一樣的。天然可燃冰的形成往往需要以萬年計的時間，能源密度也較低。以青海凍土地帶水合物為例，每立方米的含氣量只有四五十立方米。
相比之下，人工制備的可燃冰具有形成時間短、含氣密度高的特點。人造可燃冰的制備過程中，只需要10多分鐘的時間便可生成可燃冰，能源密度也比較高，每立方米含有160立方米以上的天然氣。
快速制備而成的人造可燃冰，運輸起來也很方便。在張建文看來，人造可燃冰有望成為一種新的天然氣儲運方式。將天然氣存儲在可燃冰里運輸，既不需要高壓，也不需要超低溫。在常壓、-5℃條件下以固態(tài)存在的人造可燃冰，用普通冷藏車就可以方便、安全地運輸，極大地降低了天然氣運輸?shù)某杀尽?/p>
管道輸送是天然氣輸送的主要方式之一，但成本高昂，每公里管道的建設(shè)成本約為1000萬元。此外，從油氣藏的分布來看，我國天然氣氣田大多地理位置偏僻、地形復雜，而眾多邊際氣田、海上氣田、煤層氣和頁巖氣等非常規(guī)天然氣的總資源量也相當高，管道輸送難以全面覆蓋。“采用人造可燃冰技術(shù)，可大幅度節(jié)省天然氣管線修建的費用，在管線修建受限的區(qū)域，能起到很好的替代作用。”張建文認為。
張建文補充道，通過建立分布式供能系統(tǒng)，將偏遠、邊際氣田、海上天然氣、煤層氣和頁巖氣等資源以可燃冰的形式儲運到陸地，能滿足東南沿海地區(qū)對天然氣的迫切需求;促進中西部地區(qū)、游牧地區(qū)的發(fā)展，實現(xiàn)區(qū)域均衡、可持續(xù)綠色發(fā)展;減少燃煤、生物質(zhì)的用量，大大降低環(huán)境保護壓力。“構(gòu)建針對不同應(yīng)用場合的天然氣水合物能源系統(tǒng)，既是科學理念的創(chuàng)新，也是能源科技的一大創(chuàng)新”。
提高油氣資源利用率
統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2016年，我國天然氣消費量2058億立方米，產(chǎn)量約1371億立方米，進口量721億立方米。到2020年，天然氣消費量預計將達到3500億立方米，屆時缺口將達到近1200億立方米。
與缺口并存的是，一些油氣資源的閑置和浪費。張建文指出，我國許多油田都有大量的伴生凝析氣，受儲運經(jīng)濟性的限制，通常的處理方式是將其送高架火炬塔燃燒掉。“與其白白燒掉，不如運用可燃冰制備、儲運技術(shù)，促進資源有效利用”。
大量的低產(chǎn)能井是可燃冰制備技術(shù)的應(yīng)用目標之一。中國有上千口產(chǎn)能下降的氣井，難以用傳統(tǒng)的管道輸送、液化方式進行開采利用，如果能應(yīng)用可燃冰制備技術(shù)，其所帶來的經(jīng)濟效益和能源效益都很巨大。對此，張建文算了一筆賬，以單井可回收天然氣1000萬立方米/年計算，上千口低產(chǎn)能井可利用的天然氣能源資源相當于西氣東輸一期管線120億立方米的年輸氣量。
煤炭價格的走低和煤炭資源的逐漸枯竭，使得一些產(chǎn)煤大省有著迫切的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型需求。“我們目前正在和山西省展開合作，建議當?shù)匕岩恍U棄煤礦轉(zhuǎn)為可燃冰的儲氣庫，將煤層氣制備為可燃冰，發(fā)展可燃冰制備產(chǎn)業(yè)，當?shù)卦鹊拿旱V工人也隨之轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇急a(chǎn)業(yè)工人，幫助當?shù)貙崿F(xiàn)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型調(diào)整。”張建文說道。
