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，與游離水結合形成的結晶籠狀固體。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)利用的關鍵技術之一?！睆埥ㄎ慕榻B。
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，溫度較低時結冰堵塞管道，造成泄漏或停輸事故。
“水在結冰的過程中，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，為反應器設計提供了理論依據(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。
在該專利技術中，高壓天然氣經(jīng)一組噴嘴噴入反應器底部的低溫、高壓水流中，形成微細的氣泡并與水發(fā)生反應。反應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)權的成套天然氣水合物制備技術，工藝、設備均擁有自主知識產(chǎn)權，形成了完整的研發(fā)—設計—制造隊伍，還開發(fā)了相應的工藝軟件包。
“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，該項技術即具有經(jīng)濟價值。采用我們的技術，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，二者在結構上是一樣的。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，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?！皹嫿ㄡ槍Σ煌瑧脠龊系奶烊粴馑衔锬茉聪到y(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，促進資源有效利用”。
大量的低產(chǎn)能井是可燃冰制備技術的應用目標之一。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，如果能應用可燃冰制備技術，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)轉型需求?！拔覀兡壳罢诤蜕轿魇≌归_合作，建議當?shù)匕岩恍U棄煤礦轉為可燃冰的儲氣庫，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工人也隨之轉變?yōu)榭扇急a(chǎn)業(yè)工人，幫助當?shù)貙崿F(xiàn)經(jīng)濟結構的轉型調(diào)整?！睆埥ㄎ恼f道。
更多精彩！歡迎關注“科普中國-科技前沿大師談”官方微信（kjqydst）。
作者： 科技日報 [責任編輯: 宋金玉]
【版權聲明】凡本站未注明來源為"中國科學網(wǎng)"的所有作品，均轉載、編譯或摘編自其它媒體，轉載、編譯或摘編的目的在于傳遞更多信息，并不代表本站及其子站贊同其觀點和對其真實性負責。其他媒體、網(wǎng)站或個人轉載使用時必須保留本站注明的文章來源，并自負法律責任。 中國科學網(wǎng)對文中陳述、觀點判斷保持中立,不對所包含內(nèi)容的準確性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保證。
【特別提醒】如您不希望作品出現(xiàn)在本站，可聯(lián)系我們要求撤下您的作品。郵箱 biz@minimouse.com.cn