天然氣的非管輸儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)

目前，   氣的非管輸儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)主要包括壓縮   氣(CNG)儲(chǔ)氣、液化   氣(LNG)儲(chǔ)氣、地下儲(chǔ)氣庫(UNGS)儲(chǔ)氣、水合物(NGH)儲(chǔ)氣、吸附   氣(ANG)儲(chǔ)氣和近臨界流體(NCF)儲(chǔ)氣。
　　1、壓縮   氣(CNG)
　　CNG為常溫高壓儲(chǔ)存(20MPa)，是一種理想的車用替代能源，具有成本低、效益高、   、使用   便捷等優(yōu)點(diǎn)。CNG的生產(chǎn)輸送過程是將低壓   氣增壓至20~25MPa，再通過高壓氣瓶組車通過公路運(yùn)輸，在使用地的減壓站(輸配站)將高壓   氣經(jīng)1~2級(jí)減壓至1.6MPa，   后進(jìn)入儲(chǔ)罐或進(jìn)一步減壓進(jìn)入城市管網(wǎng)。該方案技術(shù)難度低，成熟度高，   性可基本。在25MPa的情況下，   氣可壓縮至原來體積的1/300，降低了儲(chǔ)存容積，但壓力的增大，也對(duì)CNG技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備—儲(chǔ)氣瓶的質(zhì)量提出了   高的要求。
　　CNG的生產(chǎn)設(shè)備主要有調(diào)壓器、換熱器、球罐等，生產(chǎn)設(shè)備費(fèi)用投資較小。CNG是目前車用   氣燃料的主要儲(chǔ)存方式，缺點(diǎn)是儲(chǔ)氣瓶質(zhì)量大，體積大。與液體燃料相比，   氣體積能量密度低，20MPa壓力下的CNG燃料僅相當(dāng)于汽油能量密度的30%，在生產(chǎn)輸送過程中也存在很高的危險(xiǎn)性，還需在運(yùn)行效率的優(yōu)化和管道事故的應(yīng)急處理等方面開展工作。
　　2、液化   氣(LNG)儲(chǔ)氣技術(shù)
　　LNG的生產(chǎn)輸送過程是將氣態(tài)   氣經(jīng)過“三脫”(脫水、脫烴、脫酸性氣體等)處理后，再經(jīng)液化處理成為液態(tài)(-162℃)，一般采用丙烷預(yù)冷的混合制冷液化技術(shù)。由于凈化、液化工藝復(fù)雜，設(shè)備投資較大，運(yùn)行費(fèi)用較高。LNG液化站一般應(yīng)建在氣井處，好處是氣源充足，氣價(jià)低，LNG產(chǎn)量大，便于回收投資。LNG采用低溫儲(chǔ)罐車通過公路來運(yùn)輸，到達(dá)目的地后，LNG經(jīng)罐車自增壓系統(tǒng)增壓，進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐。儲(chǔ)罐中的LNG再自增壓系統(tǒng)壓入氣化器中氣化，經(jīng)調(diào)壓計(jì)量送入城市管網(wǎng)。由于涉及相變過程，為防止出現(xiàn)超壓現(xiàn)象，還設(shè)置了BOG系統(tǒng)、放散系統(tǒng)、氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)等。輸運(yùn)技術(shù)目前在理論上已日趨成熟，并且在淮陽、深圳等地開始應(yīng)用。在，LNG被廣泛用于   氣的海上運(yùn)輸，但是，LNG的長(zhǎng)距離陸地輸送尚存在較大的   性問題。LNG在儲(chǔ)存、運(yùn)輸與使用等方面都有顯著的優(yōu)勢(shì)。但是，目前LNG僅占   氣消費(fèi)量的6%。要提高LNG在   氣消費(fèi)中的比重，就   解決LNG發(fā)展中存在的難題，即由于組分差異和溫度差異造成的LNG分層而產(chǎn)生的渦旋，渦旋會(huì)引起LNG內(nèi)部能量勢(shì)的改變，從而導(dǎo)致LNG儲(chǔ)存失穩(wěn)，產(chǎn)生重大   隱患。因此，在生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)過程中有很高的危險(xiǎn)性。
　　從20世紀(jì)60~70年代開始，學(xué)者就對(duì)LNG渦旋展開了，從不同的假設(shè)條件出發(fā)建立了渦旋的數(shù)學(xué)模型。特別是Bates等人提出的BatesandMorrison模型，克服了原有模型假設(shè)分層面靜止的弊端，考慮了分層面的下降運(yùn)動(dòng)，采用較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法對(duì)LNG渦旋進(jìn)行了。我國(guó)對(duì)LNG儲(chǔ)存非穩(wěn)定性始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過試驗(yàn)?zāi)M和數(shù)值模擬，在LNG儲(chǔ)存的熱流體力學(xué)、非平衡熱力學(xué)等方面取得了   的進(jìn)展。我國(guó)在LNG方面已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，特別是以顧安忠教授為代表的上海交通大學(xué)的人員，在低溫流體力學(xué)、制冷理論與技術(shù)、   氣液化設(shè)備與工藝等方面取得了豐碩的成果。在今后一段時(shí)期，運(yùn)用熱力學(xué)、傳熱學(xué)和流體力學(xué)來   氣儲(chǔ)存的穩(wěn)定性仍將是LNG應(yīng)用基礎(chǔ)的重要內(nèi)容。除此以外，   氣和制冷劑的熱物性及遷移特性，   氣液化流程和設(shè)備模擬，   氣液化流程的系統(tǒng)模擬和優(yōu)化，小型   氣液化裝置的與優(yōu)化，LNG冷量利用技術(shù)以及提高LNG設(shè)備效率技術(shù)都將成為L(zhǎng)NG的熱點(diǎn)。
　　3、地下儲(chǔ)氣庫技術(shù)(UNGS)
　　地下儲(chǔ)氣庫的   氣儲(chǔ)存有枯竭的油氣田儲(chǔ)氣、含水多孔地層儲(chǔ)氣、鹽礦層儲(chǔ)氣和利用廢礦儲(chǔ)氣等。地下儲(chǔ)氣庫技術(shù)始于20世紀(jì)初，1915年加拿大在安大略省WELLLAND氣田進(jìn)行的氣田儲(chǔ)氣試驗(yàn)揭開了   氣儲(chǔ)存的序幕。到2002年，全世界約有560座地下儲(chǔ)氣庫，儲(chǔ)氣庫的總?cè)莘e約為5100*108m³，可以進(jìn)行調(diào)峰的氣量約為2500*108m³。
　　近年來，由于能源需求形式日趨嚴(yán)峻，關(guān)于地下儲(chǔ)氣庫的應(yīng)用基礎(chǔ)和工藝技術(shù)也越來越活躍，關(guān)于地下儲(chǔ)氣庫的正朝著數(shù)值化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，覆蓋了地質(zhì)、鉆井、、儲(chǔ)運(yùn)、化工、環(huán)保、測(cè)控儀表等諸多學(xué)科，已經(jīng)取得了顯著的成就。
　　由于   氣需求量的時(shí)變性，以及地下儲(chǔ)氣庫建設(shè)的復(fù)雜性，因此，可以預(yù)見，在今后一段時(shí)期內(nèi)，以下幾個(gè)方面將成為地下儲(chǔ)氣庫的。
　　(1)地下儲(chǔ)氣庫地層傷害潛在因素評(píng)價(jià)與分析。儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)在油氣田中已經(jīng)廣泛的應(yīng)用，但是，專門針對(duì)地下儲(chǔ)氣庫地層的傷害與保護(hù)還相當(dāng)缺乏。根據(jù)地下儲(chǔ)氣庫工作壓力高、注采頻繁、多相流動(dòng)的特點(diǎn)，應(yīng)對(duì)地層應(yīng)力敏感性、相圈閉損害分析和地層微粒運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行，為地下儲(chǔ)氣庫的地層保護(hù)提供理論依據(jù)。
　　(2)水平井建井技術(shù)的推廣。定向井技術(shù)已廣泛應(yīng)用于油氣勘探的鉆井中，特別是水平井，不僅能解決地質(zhì)構(gòu)造條件下的建井問題，而且能顯著提高流體滲流面積，增加儲(chǔ)氣庫的儲(chǔ)存效率。
　　(3)地層多相滲流與巖石力學(xué)的。對(duì)   氣地下儲(chǔ)存時(shí)的地層多相滲流進(jìn)行了專門，然而國(guó)內(nèi)在這方面只進(jìn)行了少量的。   氣在儲(chǔ)存過程中的多相滲流行為與開采過程中滲流行為之間存在的差異，對(duì)   氣儲(chǔ)存能力有著直接的影響。地層巖石的應(yīng)力分布和力學(xué)穩(wěn)定性對(duì)儲(chǔ)氣庫的儲(chǔ)存能力也有顯著影響。有   對(duì)地下多相滲流與巖石力學(xué)行為做深入，為準(zhǔn)確確定   氣儲(chǔ)存能力提供依據(jù)。
　　(4)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化配置。地下儲(chǔ)氣庫的檢測(cè)包括地下腔室形態(tài)檢測(cè)、密閉行檢測(cè)、運(yùn)行壓力檢測(cè)以及環(huán)保和   檢測(cè)。這些檢測(cè)技術(shù)應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)信息傳輸與應(yīng)急處理。網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和自動(dòng)化是地下儲(chǔ)氣庫檢測(cè)系統(tǒng)未來發(fā)展的方向。
　　4、吸附   氣(ANG)
　　ANG是在儲(chǔ)罐中裝入高比表面的   氣吸附劑，利用其巨大的內(nèi)表面積和豐富的微孔結(jié)構(gòu)，在常溫、中壓(6.0MPa)下將   氣吸附儲(chǔ)存的技術(shù)。當(dāng)儲(chǔ)罐中壓力低于外界時(shí)，氣體被吸附在吸附劑固體微孔的表面，借以儲(chǔ)存；當(dāng)外界的壓力低于儲(chǔ)罐中壓力時(shí)，氣體從吸附劑固體表面脫附而出供應(yīng)外界。與CNG相比，ANG投資和操作費(fèi)用可降低50%，具有儲(chǔ)罐形狀和材質(zhì)選擇余地大、質(zhì)輕、低壓，使用方便和   等優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)關(guān)鍵是甲烷吸附量高的   氣吸附劑。
　　目前ANG儲(chǔ)氣技術(shù)的主要是針對(duì)   氣汽車(NGV)，目標(biāo)是爭(zhēng)取取代CNG技術(shù)，淘汰笨重的高壓氣瓶，并LNG車用燃料技術(shù)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，使該技術(shù)能夠成為   氣汽車的主要燃料儲(chǔ)存方法，以擴(kuò)大   氣汽車的使用數(shù)量。ANG技術(shù)具有以下特點(diǎn)。
　　(1)壓力較低(3.5~6.0MPa)，對(duì)儲(chǔ)氣和充氣設(shè)備耐壓性能要求不高，所需設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，投資費(fèi)用低，充氣設(shè)備僅需中壓壓縮機(jī)即可，節(jié)約了充氣站的建站費(fèi)用和操作費(fèi)用。
　　(2)中低壓下使用   氣，其   性能   好。
　　(3)中低壓條件下儲(chǔ)存   氣具有日常維護(hù)方便、操作費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。
　　在   意義上，ANG也屬于壓力儲(chǔ)存，但由于儲(chǔ)存壓力比CNG低，因此容器質(zhì)量相應(yīng)減輕，   性相對(duì)提高。就目前與的進(jìn)展情況來看，該項(xiàng)技術(shù)還存在著3個(gè)需要解決的問題。
　　(1)在相同儲(chǔ)存容積下的儲(chǔ)氣密度，ANG吸附容器比CNG儲(chǔ)氣瓶或LNG儲(chǔ)存容器低得多，即CNG儲(chǔ)氣瓶?jī)?chǔ)氣密度為其容器的230倍左右，LNG儲(chǔ)存容器儲(chǔ)氣密度為其容器的600倍以上，而ANG吸附容器儲(chǔ)氣密度則為其容器的140倍。
　　(2)   氣吸附與釋放過程中的熱效應(yīng)影響問題尚未妥善解決。
　　(3)   氣中的重組分在釋放過程中的滯留問題仍待解決。
　　總之，后兩個(gè)問題是屬于工藝過程和儲(chǔ)存容器結(jié)構(gòu)改進(jìn)的范疇，相對(duì)而言比較容易解決，關(guān)鍵問題是吸附劑。目前，的部門都將吸附劑的集中在活性碳類材料吸附性能的提高方面，但至今仍未取得明顯效果?？梢灶A(yù)見，吸附劑的吸附量如果能達(dá)到其容器的300倍左右，則其發(fā)展前景將會(huì)是一片光明。只要有了好的吸附劑，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍就不再局限于汽車，而是可能發(fā)展成為一種新的   氣儲(chǔ)運(yùn)方法，將吸附儲(chǔ)存容器制成鐵路罐車、汽車罐車及運(yùn)輸船的隔艙等移動(dòng)運(yùn)送工具，或是各種容器的   氣儲(chǔ)存容器，從而使這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍大地拓寬。
　　5、   氣水合物(NGH)
　　   氣水合物(NGH)是由水分子形成的孔穴吸附小分子烴類氣體而形成的一種籠形結(jié)晶化合物。NGH具有   的結(jié)晶籠狀結(jié)構(gòu)，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1m³的氣體水合物可儲(chǔ)存   氣150~200m³。以水合物形式存在的   氣資源量是地球上其余所有烴類資源量總和的兩倍。用水合物儲(chǔ)存   氣，對(duì)   氣的預(yù)處理要求低，并且   、費(fèi)用低，還能夠?yàn)镹GH的勘探提供理論基礎(chǔ)。
　　NGH儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是近幾年發(fā)展的一項(xiàng)，它不僅具有儲(chǔ)存空間小的優(yōu)點(diǎn)，而且它較氣態(tài)、液態(tài)   氣      ，由于水合物不易燃燒，因此分解過程緩慢。水合物能夠在標(biāo)準(zhǔn)溫度-10~0℃和壓力0.1~1MPa的條件下保存，1m³的水合物相當(dāng)于21MPa高壓下的1m³壓縮   氣(包含200m³的   氣)或-162℃下1m³LNG(包含637m³的   氣)。與管道   氣運(yùn)輸或者LNG運(yùn)輸相比，水合物需要較低的資本和運(yùn)行耗費(fèi)。較低的成本、簡(jiǎn)單和靈活的處理過程使得水合物運(yùn)輸   氣值得推廣發(fā)展。
　　目前，水合物儲(chǔ)運(yùn)   氣技術(shù)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是水合物的大規(guī)模生成、固化成型、集裝和運(yùn)輸過程中的   問題。從當(dāng)前現(xiàn)狀看，NGH的生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)工藝還未成熟，尚處于發(fā)展階段。由于我國(guó)西部和海洋的   氣儲(chǔ)量非常豐富，開展對(duì)NGH儲(chǔ)存工藝的基礎(chǔ)及應(yīng)用，對(duì)我國(guó)宏觀能源戰(zhàn)略決策有著重要而迫切的現(xiàn)實(shí)意義。NGH一般基于兩方面考慮。一是開采海上氣田或遠(yuǎn)洋   氣，   氣在出口國(guó)或氣田加工成水合物，再通過輪船運(yùn)往需要的地方氣化后使用；二是內(nèi)陸儲(chǔ)運(yùn)主要是在沒有   鋪設(shè)管道的情況下使用，因?yàn)镹GH具有很大的靈活性。
　　目前，對(duì)NGH的主要是從水合物的制備、儲(chǔ)存、再分解三個(gè)技術(shù)點(diǎn)展開。其中，   的水合物生產(chǎn)制備工藝尤為關(guān)鍵，通常將含氣率作為評(píng)價(jià)反應(yīng)進(jìn)行程度的指標(biāo)。針對(duì)水合物的制備，目前的主要技術(shù)路線是，在溶液(一般為冰水混合物)中制備；直接由冰轉(zhuǎn)化為水合物；用含水   氣采用節(jié)流膨脹工藝形成水合物?？傊?，NGH技術(shù)的儲(chǔ)存與再分解技術(shù)已經(jīng)過大量的，并不存在較大的難度，并且NGH的運(yùn)輸也比較經(jīng)濟(jì)。目前，制約NGH技術(shù)的瓶頸問題是，如何在工業(yè)化生產(chǎn)中提出經(jīng)濟(jì)合理的工藝流程，從而實(shí)現(xiàn)水合物儲(chǔ)存   氣具有、高儲(chǔ)能的特性。
　　可以預(yù)見，關(guān)于NGH的熱力學(xué)性質(zhì)、形成與分解動(dòng)力學(xué)的將進(jìn)一步深入。在制備工藝技術(shù)方面，將以制備出   生產(chǎn)NGH為目標(biāo)，從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度分析出發(fā)，加強(qiáng)反應(yīng)速率、提高產(chǎn)品含氣率、減少產(chǎn)品附加水量等方面的攻關(guān)，為實(shí)現(xiàn)NGH生產(chǎn)工業(yè)化奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
　　6、近臨界流體儲(chǔ)存技術(shù)
　　利用近臨界流體儲(chǔ)存   氣，是近年來興起的一項(xiàng)新的   氣儲(chǔ)存技術(shù)。該技術(shù)的基本原理是，利用近臨界流體特有的高溶解力、低粘度、易擴(kuò)散的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)   氣和臨界流體之間的傳質(zhì)，進(jìn)而將   氣溶解其中。
　　目前，對(duì)   氣的臨界流體儲(chǔ)存主要集中在兩個(gè)方面，一是尋找高吸附能力的溶劑；二是探索降低吸附壓力和溫度條件限制的途徑。俄克拉荷馬大學(xué)   氣利用技術(shù)所的一種“   氣體”燃料，采用近臨界流體儲(chǔ)存技術(shù)，將   氣與丙烷和丁烷混合，在室溫條件下形成壓力為13.79MPa(表壓)的液體燃料，該燃料具有等量汽油70%的能量。由北京理工大學(xué)王利生等人提出的以凝析油戊烷為溶劑儲(chǔ)存   氣技術(shù)，其儲(chǔ)存條件為室溫，壓力約為15MPa，50L容器中所釋放的可燃性氣體量約為21kg。
　　雖然近臨界流體儲(chǔ)存   氣原理簡(jiǎn)單，操作方便，但是仍然未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，在技術(shù)方面，關(guān)鍵問題在于如何找到和優(yōu)化儲(chǔ)氣壓力、溫度，選擇何種溶劑以及溶劑的用量。其中，對(duì)臨界參數(shù)的測(cè)量是否準(zhǔn)確尤其重要，要使這項(xiàng)技術(shù)推廣，   對(duì)近臨界流體的特征和相變參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。