人造可燃冰或天然气储运新方式

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有句谚语叫做“冰与火不相容”。来自北京化工大学化学工程学院的张建文教授的团队目前正在进行一项研究，将火和冰结合起来，开发人造可燃冰。最近，在项目的中期验收会议上，张建文介绍了研究的进展。

人造可燃冰是一种天然气水合物。天然气水合物是一种结晶笼状固体，由天然气中的气体分子在一定温度和压力条件下与游离水结合而成。天然气水合物可在常压和常温下长期稳定储存，气化后可有效利用。

事实上，天然气水合物在自然界已经存在，如青海祁连山冻土区的水合物和南海的水合物。然而，天然水合物的应用面临着开采困难和能量密度低的问题。

因此，如何借鉴自然，创造适宜的环境条件，快速、连续地生产可燃冰，已成为解决天然气水合物开发利用问题的关键技术之一张建文介绍。

“冰堵”防治的启示

开发可燃冰不是张建文团队的初衷。在他们之前要解决的第一个科学研究问题是“冰堵”。

近年来，西气东输二线、大神管道(大连至沈阳)等天然气管道被冰堵，极大地影响了管道的正常生产。冰堵塞的原因是管道中有液态水或气态水。当温度较低时，管道会被冰堵塞，导致泄漏或停车事故。

“当水结冰时，它会将天然气中的甲烷和其他气体包裹在冰里，形成可燃冰。为了防止冰堵塞，我们必须首先了解管道中天然气水合物的形成机理，这将导致一个新的研究方向，并根据这一原理生产可燃冰，”张建文说。

根据天然气水合物的形成条件，北京化工大学研究团队从热力学和动力学角度进行了数值模拟，为反应器设计提供了理论依据，并进一步提出了连续液相和气相分散的可燃冰制备工艺，目前已申请多项专利。

在这项专利技术中，高压天然气通过一组喷嘴注入反应器底部的低温高压水流中，形成细小气泡并与水反应。反应生成的水合物和过量的水形成流动的浆液，排出到中间罐中进行气液分离。浆液自动浓缩后，过滤除去水分。最后，进行造粒以形成适用于不同目的的水合物颗粒。

准备好的可燃冰不是人们想象的冰。张建文向《科技日报》记者展示的图片显示，装在白色塑料桶里的乳白色固体物质是可燃冰。更准确地说，与其说是冰，不如说是“冰淇淋”。一旦物质被点燃，它就会燃烧。

张建文表示，已完成中试，并建立了一整套具有自主知识产权的天然气水合物制备技术。该技术和设备拥有自主知识产权，形成了完整的研发-设计-制造团队，并开发了相应的工艺软件包。

“美国能源部报告说，如果1立方米含有120立方米的天然气，这项技术就有经济价值。利用我们的技术，制备的天气水合物的气体含量可达到每立方米160立方米以上的天然气。”张建文说。

天然气储运新模式

人造可燃冰和自然界中形成的天然可燃冰一样吗？张建文说这两者在结构上是相同的。天然可燃冰的形成通常需要数万年，能量密度相对较低。以青海多年冻土区水合物为例，每立方米含气量仅为40-50立方米。

相比之下，人工制备的可燃冰具有成型时间短、气密性高的特点。在人工可燃冰的制备过程中，生成可燃冰只需10分钟以上，能量密度较高，每立方米含天然气160立方米以上。

快速制备的人工可燃冰也便于运输。在张建文看来，人造可燃冰有望成为一种新的天然气储存和运输方式。将天然气储存在可燃冰中运输，既不需要高压，也不需要超低温。常温常压下-5℃的固态人工可燃冰可以用普通冷藏车方便安全地运输，大大降低了天然气的运输成本。

管道运输是天然气运输的主要方式之一，但成本很高，每公里管道建设成本约为1000万元。此外，从油气藏分布来看，我国大部分天然气田地理位置偏远，地形复杂，而许多边际气田、海上气田、煤层气和页岩气等非常规天然气的总资源量也相当高，难以完全覆盖管道运输。“使用人工可燃冰技术可以大大节约天然气管道建设成本，在管道建设有限的地区可以起到很好的替代作用。”根据张建文的说法。

张建文补充说，通过建立分布式能源供应系统，偏远和边缘气田、海上天然气、煤层气和页岩气等资源可以以可燃冰的形式储存和运输到陆地，以满足东南沿海地区对天然气的迫切需求。促进中西部地区和游牧地区的发展，实现该地区均衡、可持续和绿色发展；降低煤炭和生物质的消耗，大大减轻环保压力。“为不同应用构建天然气水合物能源系统不仅是科学理念的创新，也是能源科技的重大创新。”

提高油气资源的利用率

据统计，2016年，中国将消耗2058亿立方米天然气，生产1371亿立方米，进口721亿立方米。到2020年，天然气消费量预计将达到3500亿立方米，缺口将达到近1200亿立方米。

与此同时，一些油气资源被闲置和浪费。张建文指出，我国许多油田都有大量伴生气，这受到储运经济的限制。通常的处理方法是将其送到高架火炬塔燃烧。与其白白燃烧它，不如利用可燃冰的制备、储存和运输技术来促进资源的有效利用。

大量低产井是可燃冰制备技术的应用目标之一。中国有成千上万个产能下降的气井，这些气井很难通过传统的管道运输和液化方法开采和利用。如果应用可燃冰制备技术，将会带来巨大的经济效益和能源效益。在这方面，张建文计算了一个账户。根据一口井每年可开采1000万立方米的天然气，数千口低产井可利用的天然气能源相当于西气东输一期每年120亿立方米的天然气

煤炭价格下跌和煤炭资源逐渐枯竭，使得一些主要产煤省份迫切需要进行产业转型。“我们目前正在与山西省合作，建议将一些废弃的煤矿转化为可燃冰储罐，将煤层气转化为可燃冰，并发展可燃冰制备行业。原来的煤矿工人将转变为可燃冰行业的工人，以帮助当地实现经济结构的转型和调整。”张建文说。

职责:胡彦明