我國(guó)人工可燃冰開(kāi)發(fā)利用狀況與戰(zhàn)略研究

任 輝，周 鋒，寧樹(shù)正， 王 松， 蘭友根

(1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局，北京 100038；2.中能冰氣能源科技(北京)有限公司，北京 100000)

0 引言

可燃冰最早為人類所發(fā)現(xiàn)是在天然氣進(jìn)行管道輸送過(guò)程中，管道中出現(xiàn)冰堵。在后來(lái)的油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，人們又發(fā)現(xiàn)了大自然中廣泛存在著大量的可燃冰，包括海底及陸地。為研究可燃冰的形成機(jī)理，挪威、日本等一些國(guó)家的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始模擬天然可燃冰的形成環(huán)境，進(jìn)行人工合成，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的努力取得了顯著的成果。

由于人工可燃冰具有含氣率高、合成原理科學(xué)、儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境簡(jiǎn)便、運(yùn)輸環(huán)節(jié)安全系數(shù)高等特點(diǎn)，在學(xué)術(shù)界被認(rèn)定為一種新型的天然氣開(kāi)發(fā)利用方式。挪威科技大學(xué)Gudmundsson教授及其團(tuán)隊(duì)在20世紀(jì)90年代就運(yùn)用人工可燃冰技術(shù)，完成了在挪威國(guó)家境內(nèi)人工可燃冰連續(xù)生產(chǎn)及長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用，并設(shè)計(jì)出了完整的人工可燃冰海上運(yùn)輸專用船舶及碼頭加注系統(tǒng)。日本也緊隨其后，將人工可燃冰作為L(zhǎng)NG運(yùn)輸方式的替代技術(shù)和人工合成技術(shù)，不斷提升開(kāi)發(fā)利用技術(shù)和儲(chǔ)備運(yùn)輸系統(tǒng)的科學(xué)性。本文對(duì)人工可燃冰技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了論述，并提出了利用人工可燃冰技術(shù)進(jìn)行低濃度瓦斯提純的應(yīng)用原理。該應(yīng)用原理的提出對(duì)于緩解我國(guó)溫室氣體效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)開(kāi)發(fā)利用將起到突破性的作用。

1 人工可燃冰概述

1.1 人工可燃冰原理

人工可燃冰是一種天然氣水合物，是在一定溫度和壓力條件下，在動(dòng)力學(xué)添加劑和熱力學(xué)添加劑的作用下，將天然氣中的甲烷分子與游離水混合后，人工結(jié)合形成的結(jié)晶籠狀固體。

1.2 人工可燃冰相對(duì)于天然可燃冰的不同特點(diǎn)

人工可燃冰與天然可燃冰，二者在物理、化學(xué)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)上異曲同工。天然可燃冰的形成往往需要漫長(zhǎng)的時(shí)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。與之相比，人工可燃冰是在低濃度瓦斯基礎(chǔ)提純工藝合成的，是一種將廢棄資源的再生能源，是非常規(guī)能源中的一種特殊能源，是我國(guó)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和能源轉(zhuǎn)型升級(jí)中的一種戰(zhàn)略能源，具有形成時(shí)間短、含氣密度高、成本低、效率高、運(yùn)輸方便、替代性強(qiáng)的特點(diǎn)。人工可燃冰的制備過(guò)程中，能源密度相對(duì)較高，每立方米含有160m3以上的天然氣，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。未來(lái)，很可能成為我國(guó)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)中的一種特殊的開(kāi)發(fā)利用方式。

2 國(guó)內(nèi)外人工可燃冰開(kāi)發(fā)利用技術(shù)研究狀況

基于技術(shù)、安全及經(jīng)濟(jì)等方面的優(yōu)勢(shì)，人工可燃冰技術(shù)已引起了國(guó)際上廣泛的關(guān)注，成為目前國(guó)際上研究開(kāi)發(fā)利用的熱點(diǎn)，并得到了快速應(yīng)用。

儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是可燃冰研究熱點(diǎn)之一，對(duì)于零散、邊遠(yuǎn)礦井天然氣的開(kāi)發(fā)和運(yùn)輸，GTS(天然氣固化)技術(shù)比LNG(天然氣液化)技術(shù)具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，GTS技術(shù)也可以作為城市用氣的一種調(diào)峰手段。正是基于技術(shù)、安全及經(jīng)濟(jì)等方面的優(yōu)勢(shì)，天然氣水合物儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)業(yè)已引起了國(guó)際上廣泛的關(guān)注，并得到了快速發(fā)展。國(guó)際上，水合物儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研究發(fā)展較快、水平較高的國(guó)家主要有美國(guó)、日本、俄羅斯、加拿大、英國(guó)、法國(guó)、中國(guó)等。影響力最大的為挪威、日本和美國(guó)等，中國(guó)在天然氣水合物儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的研究方面處于起步晚、進(jìn)步較快的階段。

2.1 國(guó)外研究進(jìn)展

自從發(fā)現(xiàn)天然氣水合物以來(lái)，其優(yōu)越的儲(chǔ)氣性能便得到了很多科學(xué)家的重視，早在1944年美國(guó)科學(xué)家A.J.L. Hutchinson便設(shè)計(jì)了一種固化天然氣儲(chǔ)存方式，流程的提出在當(dāng)時(shí)讓人耳目一新，為城市燃?xì)獾膬?chǔ)存調(diào)峰提供了一種新的手段。

挪威科學(xué)家Gudmundsson于1990年提出了一個(gè)按照大型天然氣水合物生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的工藝流程。這一工藝技術(shù)較之以前的技術(shù)有了很大的改進(jìn)，首先它在氣-水體系中加入了天然氣凝析液，降低了反應(yīng)平衡的條件；以冰水混合物為反應(yīng)溶液，促進(jìn)了原始晶核的生成，減少了反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間，加快了反應(yīng)速度；采用多級(jí)反應(yīng)，提高了反應(yīng)生成率。這一工藝流程的提出為固化技術(shù)的工業(yè)化作出了初步探索，具有十分重要的意義。

據(jù)日本《化學(xué)工業(yè)日?qǐng)?bào)》最近報(bào)道，日本NKK公司開(kāi)發(fā)成功液相法高效連續(xù)生產(chǎn)天然氣水合物的新技術(shù)。由于天然氣水合物比液化天然氣(LNG)貯藏和運(yùn)輸更為簡(jiǎn)便，因而作為新的天然氣資源令人注目。NKK公司開(kāi)發(fā)的新技術(shù)用天然氣作原料工業(yè)生產(chǎn)天然氣水合物，可大幅度擴(kuò)大天然氣的利用范圍。該工藝過(guò)程是將水流經(jīng)管道，使微細(xì)天然氣泡分散其中，急劇增加與水的接觸面積，進(jìn)而分散有天然氣的水經(jīng)管式換熱器冷卻，得到天然氣水合物。采用丙烷模擬天然氣進(jìn)行的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)可大幅度提高生產(chǎn)效率。研究結(jié)果表明：在2 700～6 500km距離上，對(duì)于0.4MTPA和1.0MTPA兩種情形，天然氣水合物儲(chǔ)運(yùn)均比液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性要高23%～27%。

2.2 國(guó)內(nèi)研究狀況

2002年我國(guó)開(kāi)始將天然氣水合物的研究列為國(guó)家重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃，進(jìn)行資源勘查、開(kāi)采和運(yùn)輸及實(shí)用技術(shù)的研究，十多年來(lái)取得了顯著的成效。國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)在天然氣水合物方面開(kāi)展了不同方向的研究，如：水合物傳質(zhì)傳熱性能及穩(wěn)定性的研究、形成與分解熱動(dòng)力學(xué)邊界條件模擬、天然氣儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中天然氣水合物形成機(jī)理及抑制機(jī)制、天然氣水合物制備過(guò)程強(qiáng)化的直接接觸傳熱、天然氣水合物成核過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模擬等。目前的研究主要集中在中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院、石油大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)、北京師范大學(xué)、天津大學(xué)、國(guó)家海洋局、廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局、西南石油大學(xué)、北京化工大學(xué)等科研單位。十余年來(lái)，研究論文、專利等成果方面在國(guó)際上有一定影響。如中國(guó)科學(xué)院廣州能源所在天然氣水合物方面開(kāi)展了大量基礎(chǔ)研究；青島海洋地質(zhì)研究所的天然氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)室也在模擬實(shí)驗(yàn)室中合成出了人工可燃冰，并成功地點(diǎn)燃了提取出的氣體。從九十年代開(kāi)始，西安交大和中科院廣州能源所都開(kāi)展了相關(guān)研究，主要在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模研究水合物合成條件和本身的性質(zhì)。中能冰氣能源科技(北京)有限公司多年來(lái)圍繞氣相法反應(yīng)器內(nèi)固—?dú)饬鲃?dòng)、傳熱傳質(zhì)特點(diǎn)，從熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行了數(shù)值模擬，為反應(yīng)器設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，進(jìn)而提出了液相連續(xù)、氣相分散的制備流程，相關(guān)技術(shù)取得了中國(guó)發(fā)明專利。目前已完成規(guī)模中試，建立了具有自主知識(shí)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(shí)產(chǎn)權(quán)，形成了完整的研發(fā)-設(shè)計(jì)-制造團(tuán)隊(duì)，目前正在開(kāi)發(fā)相應(yīng)的工藝軟件包。

2.3 人工可燃冰制備工藝

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)多家科研院所及社會(huì)企業(yè)的聯(lián)合攻關(guān)，目前，獲得國(guó)內(nèi)人工可燃冰行業(yè)專家認(rèn)可的人工可燃冰制備工藝流程如圖1所示。

1、工藝變換控制單元；2、節(jié)流閥(減壓閥)；3、新型天然氣水合物生產(chǎn)設(shè)備——主反應(yīng)器(鼓泡式反應(yīng)器)；4、高壓原料氣入口閥；5、產(chǎn)品排放閥；6、儲(chǔ)冷單元；7、電動(dòng)試壓泵(高壓水泵)；8、箱式風(fēng)冷冷水機(jī)組；9、中間儲(chǔ)罐；10、添加劑儲(chǔ)罐(表面活性劑)；11、儲(chǔ)水罐；12、分離器；13、中控保護(hù)系統(tǒng)；14、渦街流量計(jì)；15、壓縮機(jī)；16、緩沖罐；17、羅茨鼓風(fēng)機(jī)；18、渦街流量計(jì)；19、沼氣壓縮支路閥門；20、常壓原料氣入口圖1 人工可燃冰制備工藝流程Figure 1 Artificial combustible ice preparation process

常壓的原料氣通過(guò)羅茨鼓風(fēng)機(jī)先進(jìn)入脫硫罐(緩沖罐)，經(jīng)過(guò)脫硫處理后的原料氣通過(guò)沼氣壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入主反應(yīng)器；實(shí)驗(yàn)用水先進(jìn)入儲(chǔ)水罐，再經(jīng)過(guò)電動(dòng)試壓泵增壓后進(jìn)入主反應(yīng)器；增壓后的原料氣與高壓水流從底部進(jìn)入主反應(yīng)器里的螺旋內(nèi)槽管內(nèi)部發(fā)生水合反應(yīng)，未參與反應(yīng)的原料氣經(jīng)節(jié)流閥減壓后重新回到羅茨鼓風(fēng)機(jī)前準(zhǔn)備進(jìn)行下一輪反應(yīng)，形成反應(yīng)系統(tǒng)中的氣體循環(huán)；未反應(yīng)的水與生成的NGH產(chǎn)品先進(jìn)入中間儲(chǔ)罐穩(wěn)定后再經(jīng)過(guò)分離裝置實(shí)現(xiàn)分離，一方面得到天然氣水合物產(chǎn)品，另一方面未參與反應(yīng)的水重新進(jìn)入儲(chǔ)水罐形成反應(yīng)系統(tǒng)中的水的循環(huán)；裝置6和8分別為儲(chǔ)冷單元與制冷單元，制冷劑經(jīng)制冷機(jī)組在主反應(yīng)器的螺旋內(nèi)槽管管外循環(huán)流動(dòng)，以帶走水合反應(yīng)過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量，實(shí)驗(yàn)中所使用的制冷劑為乙二醇水溶液；將添加劑加入到水罐中，實(shí)驗(yàn)中使用的表面活性劑為十二烷基硫酸鈉；裝置13為完整反應(yīng)系統(tǒng)的中控部分，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制，并能為系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定的運(yùn)行提供保護(hù)。

利用上述工藝流程，項(xiàng)目負(fù)責(zé)方制備了相關(guān)專用設(shè)備，并分別在四川邛崍、河北威縣、山西晉城等地完成了三次中試(圖2)，制備的可燃冰產(chǎn)品如圖3所示。

圖2 中試現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備Figure 2 Pilot test site facilities

圖3 制備的可燃冰Figure 3 Prepared combustible ice

圖4 可燃冰燃燒試驗(yàn)Figure 4 Combustible ice burning test

中試過(guò)程中，人工可燃冰含氣量最高達(dá)到了1∶220，進(jìn)一步證實(shí)了人工可燃冰工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)與工藝可行性，與天然可燃冰相比，可以形成各具特色的開(kāi)發(fā)利用方式。

3 人工可燃冰應(yīng)用方向和技術(shù)特征

3.1 低成本、安全性實(shí)現(xiàn)天然氣運(yùn)輸?shù)膬?yōu)選方向

管道輸送是天然氣輸送的主要方式之一，但其成本高昂，每公里管道的建設(shè)成本約為1 000萬(wàn)元。LNG/CNG是天然氣運(yùn)輸方式的補(bǔ)充，也因其運(yùn)輸設(shè)備投資高、危險(xiǎn)性大，被很多區(qū)域所限制。人工可燃冰能在常溫、常壓下實(shí)現(xiàn)天然氣運(yùn)輸，極大地降低了天然氣運(yùn)輸成本。

我國(guó)天然氣氣田大多地理位置偏僻、地形復(fù)雜，而眾多邊際氣田、海上氣田、煤層氣和頁(yè)巖氣等非常規(guī)天然氣的總資源量也相當(dāng)高，管道輸送難以全面覆蓋。將天然氣以可燃冰的形式儲(chǔ)運(yùn)到陸地，不僅能滿足東南沿海地區(qū)對(duì)天然氣的迫切需求，還能促進(jìn)中西部地區(qū)、游牧地區(qū)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)區(qū)域均衡、可持續(xù)綠色發(fā)展，大大降低環(huán)境保護(hù)壓力。國(guó)外天然氣也能以人工可燃冰形式運(yùn)輸?shù)絿?guó)內(nèi)，填補(bǔ)天然氣供需缺口。

國(guó)內(nèi)尚未大規(guī)模開(kāi)展人工可燃冰遠(yuǎn)距離運(yùn)輸天然氣，但在歐洲一些國(guó)家，特別是挪威等國(guó)家，已開(kāi)展了大量的工業(yè)化應(yīng)用，并積累了豐富的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，有力支撐了人工可燃冰儲(chǔ)運(yùn)模式的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

挪威科學(xué)家Gudmundsson等人于1996年對(duì)天然氣年產(chǎn)量為 4×1010m3,運(yùn)輸距離約為6 475km,采用人工可燃冰和LNG儲(chǔ)運(yùn)方式的主要費(fèi)用進(jìn)行了比較。人工可燃冰技術(shù)的總費(fèi)用比LNG的總費(fèi)用低 26%。Gudmundsson在 1998年對(duì)其他條件兩種運(yùn)輸方式的比較也得到相類似的結(jié)果，如圖5所示。

圖5 不同儲(chǔ)運(yùn)方式對(duì)比曲線圖Figure 5 Contrast curves of different storage and transportation modes

3.2 內(nèi)河運(yùn)輸船舶燃料供給的一種有效途徑

內(nèi)河水運(yùn)作為連結(jié)國(guó)際、國(guó)內(nèi)兩大市場(chǎng)及沿海、內(nèi)地兩個(gè)區(qū)域的運(yùn)輸紐帶，在促進(jìn)中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著無(wú)可替代的作用。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，內(nèi)河水運(yùn)貨運(yùn)量逐年穩(wěn)步提升。目前，中國(guó)內(nèi)河船舶動(dòng)力以輕柴油、船用柴油、重油為主要燃料，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅長(zhǎng)江航道每年的能源消耗量就達(dá)到350萬(wàn)t(相當(dāng)于天然氣400億m3)，珠江航道每年的能源消耗量也達(dá)到了50萬(wàn)t(相當(dāng)于天然氣67億m3)，隨之而來(lái)的大量的廢油、廢氣排放和燃油泄漏給沿江流域造成了嚴(yán)重污染。

LNG作為清潔能源，在20世紀(jì)80年代，就有相關(guān)機(jī)構(gòu)研究部署LNG在內(nèi)河運(yùn)輸船舶中的應(yīng)用。但由于LNG自身的危險(xiǎn)性，LNG船舶設(shè)備故障，加注LNG過(guò)程中的人為操作不當(dāng)，水上交通事故等都有可能造成LNG泄露，繼而引發(fā)LNG火災(zāi)，對(duì)運(yùn)輸船舶及人員、航道及周邊社會(huì)環(huán)境，特別是河道大壩造成危害，因此LNG在內(nèi)河船舶上的推廣應(yīng)用始終沒(méi)有展開(kāi)。

人工可燃冰自身的安全性、經(jīng)濟(jì)性，成為內(nèi)河運(yùn)輸船舶用天然氣燃料的最佳供給模式，將在中國(guó)內(nèi)河運(yùn)輸發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮重要的作用。中國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《船舶與港口污染防治專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案(2015—2020年)》，對(duì)人工可燃冰為內(nèi)河運(yùn)輸船舶中的使用奠定了充分的政策支持和運(yùn)營(yíng)環(huán)境基礎(chǔ)。

3.3 海島開(kāi)發(fā)能源及水資源補(bǔ)給的一種可行方式

在中國(guó)，有上萬(wàn)個(gè)海島散落在300多萬(wàn)km2的大海上，目前登記在冊(cè)的無(wú)居民海島共6 900多個(gè)，面積都在500m2以上。

2011年，國(guó)家海洋局公布了我國(guó)首批可開(kāi)發(fā)利用的無(wú)居民海島名錄，涉及遼寧、山東、江蘇、浙江、福建、廣東、廣西、海南等8個(gè)省區(qū)，共計(jì)176個(gè)“無(wú)人海島”。但由于島上的供水、供電等基礎(chǔ)設(shè)施問(wèn)題尚未有很好的解決辦法，上述176個(gè)島嶼的開(kāi)發(fā)進(jìn)程非常緩慢。

人工可燃冰既含有天然氣，也含有大量的淡水。既能保障島嶼能源供給，還原的淡水可能經(jīng)過(guò)凈化處理后，能成為日常生活用水，淡水資源將得到充分利用，能為海島開(kāi)發(fā)提供有力支撐。

3.4 低濃度瓦斯提純的重要方式

當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀?%時(shí)，一些煤礦企業(yè)一般是直接排空，不僅造成甲烷氣體的浪費(fèi)，而且由于甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。

由于不同氣體形成水合物的條件差異大，因此水合物技術(shù)具有天然的氣體選擇性，能很好地進(jìn)行氣體提純。利用該特性，將低濃度瓦斯中的甲烷氣體以水合物的形式提取出來(lái)，達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的要求，實(shí)現(xiàn)變廢為寶。這一方式，很大可能將為我國(guó)煤炭企業(yè)低濃度瓦斯提純利用創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3.5 天然氣儲(chǔ)存的一種科學(xué)方式

為加快天然氣供應(yīng)能力建設(shè)，多年來(lái)國(guó)家和地方政府在天然氣調(diào)峰、儲(chǔ)存等方面出臺(tái)了不少政策，并配套了一些落實(shí)政策的措施和方法，如財(cái)政補(bǔ)貼、官網(wǎng)建設(shè)等，明確要求天然氣生產(chǎn)企業(yè)、城市燃?xì)馄髽I(yè)、地方企業(yè)按照一定比例建設(shè)儲(chǔ)氣設(shè)施、完善購(gòu)買儲(chǔ)氣服務(wù)的信息化體系。

天然氣儲(chǔ)存方式包括建地下儲(chǔ)氣庫(kù)、地面儲(chǔ)氣罐等。人工可燃冰具有壓縮比達(dá)到1∶160以上，常溫、常壓存放，任何碰撞、遇明火都不會(huì)爆炸的特性，沒(méi)有大型土建工程要求，是一種非常理想的天然氣儲(chǔ)存方式。

4 人工可燃冰技術(shù)在我國(guó)關(guān)閉礦井瓦斯資源再利用領(lǐng)域中的應(yīng)用前景

隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的逐步深入，目前我國(guó)關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量龐大，且大多地處偏遠(yuǎn)。眾多礦井中，特別是山西、貴州、內(nèi)蒙、新疆等煤層氣富集區(qū)，采空區(qū)(采動(dòng)區(qū))還儲(chǔ)存著大量的瓦斯，各地區(qū)濃度差異較大。因資源條件稟賦及社會(huì)條件差異，現(xiàn)有瓦斯利用手段，特別是低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)，都具有一定的缺陷。人工可燃冰技術(shù)為關(guān)閉礦井瓦斯資源再利用提供了一個(gè)可行的利用途徑。

4.1 人工可燃冰技術(shù)瓦斯提純的理論與技術(shù)基礎(chǔ)

煤礦瓦斯的主要成分甲烷、氮?dú)夂脱鯕獾染稍谝欢▔毫Α囟葪l件下形成水合物，但在相同溫度條件下，三種氣體生成水合物的相平衡壓力有很大的差別。例如 0℃時(shí)，甲烷水合物相平衡壓力為 2.64MPa，而氮?dú)夂脱鯕馑衔锵嗥胶鈮毫Ψ謩e達(dá)到 16.01MPa 和 12.10MPa，遠(yuǎn)大于甲烷水合物相平衡壓力。

水合物法分離煤層氣是利用相同條件下，煤層氣中的主要成分CH4、N2和O2生成水合物的溫度、壓力條件不同而實(shí)現(xiàn)選擇性分離。

同等溫度下，各種不同氣體與水結(jié)合形成水合物所需壓力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 所需壓力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data of needed pressures

4.2 人工可燃冰技術(shù)瓦斯提純的經(jīng)濟(jì)可行性

通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算，針對(duì)不同低濃度煤層氣在純水中的相平衡，計(jì)算水合物法的提純效果如下。

0.25CH4+0.60N2+0.15O2在274.15K下經(jīng)過(guò)一級(jí)水合分離水合物中甲烷組成可提純至78%。

0.2CH4+0.64N2+0.16O2在274.15K下經(jīng)過(guò)一級(jí)水合分離水合物中甲烷組成可提純至74%。

為進(jìn)一步增加人工可燃冰技術(shù)瓦斯提純的經(jīng)濟(jì)效益，可以加入熱力學(xué)添加劑來(lái)大幅度降低平衡壓力，常用的熱力學(xué)添加劑有四氫呋喃、環(huán)戊烷、丙 酮、環(huán)氧乙烷、四丁基溴化銨等，可以降低反應(yīng)條件在0～15℃，壓力在1MPa以下。

4.3 人工可燃冰技術(shù)在瓦斯提純工藝的相關(guān)配套技術(shù)

人工可燃冰技術(shù)完成提純工藝后，通過(guò)脫氧、脫氮、脫水等工藝，可將瓦斯制備成CNG或LNG，進(jìn)行外輸，適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)關(guān)閉礦井的瓦斯氣體再利用。

對(duì)于靠近在運(yùn)行煤礦或城鎮(zhèn)的關(guān)閉礦井，電力需求相對(duì)明確，且礦井資源稟賦可觀，周邊電網(wǎng)系統(tǒng)能消納富余電力，可考慮在瓦斯提純后，直接采用低濃度瓦斯轉(zhuǎn)化后發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低濃度資源的價(jià)值應(yīng)用。

4.4 人工可燃冰低濃度瓦斯提純中試應(yīng)用狀況

由中能冰氣能源科技(北京)有限公司牽頭負(fù)責(zé)建設(shè)的山西蘭花煤炭實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司低濃度瓦斯提純?cè)倮弥性図?xiàng)目，位于蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦。已在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)完成了多次聯(lián)動(dòng)調(diào)試及試生產(chǎn)，即將開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模試驗(yàn)。

該項(xiàng)目將充分利用玉溪煤礦坑道中的低濃度乏風(fēng)瓦斯，采用人工可燃冰工藝技術(shù)，完成甲烷氣體提純合成，并配套后續(xù)工藝，實(shí)現(xiàn)低濃度瓦斯資源的綜合利用。

5 思考與建議

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)對(duì)人工可燃冰的應(yīng)用研究，人工可燃冰技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值已逐步為能源行業(yè)所認(rèn)識(shí)，相信在不久的將來(lái)，人們將更多地看到人工可燃冰在天然氣儲(chǔ)運(yùn)、分布式能源補(bǔ)給、低濃度瓦斯綜合利用等領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景。特別是人工可燃冰對(duì)于各種不同氣體的天然提純性質(zhì)，在氣體分離、提純等領(lǐng)域也將逐步得到重視，預(yù)計(jì)很快進(jìn)入工業(yè)化規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用。

人工可燃冰的開(kāi)發(fā)利用在國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)入技術(shù)成熟和規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段，為我國(guó)大力度推動(dòng)人工可燃冰產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了很好的技術(shù)和應(yīng)用基礎(chǔ)。為加快我國(guó)人工可燃冰技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展，建議：

①在國(guó)家層面加快頂層設(shè)計(jì)，制定和完善一系列支撐政策與措施，從資源開(kāi)發(fā)、加工運(yùn)輸、消費(fèi)應(yīng)用的上中下游各個(gè)環(huán)節(jié)明確具體的支持辦法和方法，為大規(guī)模人工可燃冰規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化創(chuàng)造良好的環(huán)境；

②加大科技研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新力度，建議在一些地區(qū)或科研機(jī)構(gòu)設(shè)立一些研究方向與內(nèi)容不同的“我國(guó)人工可燃冰技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用中心”，大力推進(jìn)“政產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合的方式，加大人工可燃冰的技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)力度；

③不斷推進(jìn)人工可燃冰的產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化和資源資本化進(jìn)程，為我國(guó)能源資源轉(zhuǎn)型升級(jí)創(chuàng)造一條有效的途徑；

④需要國(guó)家及相關(guān)部委、相關(guān)地方政府大力支持，建議將我國(guó)人工可燃冰開(kāi)發(fā)利用項(xiàng)目列入國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和“十四五”重大科技專項(xiàng)之中，加快開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)在與戰(zhàn)略研究進(jìn)程，為未來(lái)人工可燃冰開(kāi)發(fā)利用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。