天然氣儲(chǔ)運(yùn)方式研討

黃召昌 張全林 秦瑞

摘 要 天然氣被認(rèn)為是21世紀(jì)較為清潔的、豐富的能源，需大量的天然氣作為原料，因此需求日益增長(zhǎng)。然而，作為不可再生資源，天然氣在世界范圍內(nèi)分布極不均勻。因此，為大大方便存儲(chǔ)和運(yùn)輸，可以選擇相關(guān)的方式先進(jìn)儲(chǔ)存和運(yùn)輸，本文主要介紹了吸附儲(chǔ)運(yùn)天然氣。

關(guān)鍵詞 天然氣 儲(chǔ)運(yùn)

一、天然氣儲(chǔ)運(yùn)的方式

由于天然氣的分布極不均勻，在使用過程中我們采用多種儲(chǔ)運(yùn)方法將天然氣運(yùn)輸至指定的地點(diǎn)。天然氣的儲(chǔ)運(yùn)方法目前有五種，分別是管道儲(chǔ)運(yùn)、壓縮方式儲(chǔ)運(yùn)（CNG）、液化儲(chǔ)運(yùn)（LNG）、吸附儲(chǔ)運(yùn)（ANG）和天然氣（NGH）。

二、儲(chǔ)運(yùn)方式的特點(diǎn)

（一）管道儲(chǔ)運(yùn)

管道儲(chǔ)運(yùn)適用于穩(wěn)定氣源與穩(wěn)定用戶間的長(zhǎng)期供氣情況，是一種成熟的已得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)。目前，約占總量的75%的天然氣采用管道輸送。我國(guó)的輸氣管道主要分布在四川盆地、東北地區(qū)和華北地區(qū)，管道總長(zhǎng)約為20000Km。隨著天然氣用戶的增多和銷量的增長(zhǎng)，天然氣管道總長(zhǎng)還將快速增加。管道輸送的缺點(diǎn)是投資大、成本高，高壓天然氣管網(wǎng)造價(jià)在500～2600萬(wàn)元/公里。

（二）CNG儲(chǔ)運(yùn)

CNG儲(chǔ)運(yùn)是將天然氣進(jìn)行高度壓縮至20～25MPa，再用高壓氣瓶組槽車通過公路運(yùn)輸，或?qū)⑻烊粴獬淙胍粋€(gè)灌輸容器中，將容器固定在運(yùn)輸船上海運(yùn)，還可以將管束容器制成鐵路運(yùn)輸槽車的形式通過鐵路運(yùn)輸，在使用地的減壓站（輸配站）將高壓天然氣經(jīng)1～2級(jí)減壓（1.6MPa左右），然后泵入儲(chǔ)罐，或進(jìn)一步調(diào)壓進(jìn)入城市管網(wǎng)。CNG儲(chǔ)運(yùn)使用與零散用戶及車用燃?xì)獾挠脷?，技術(shù)難度低，成熟度高，在我國(guó)得到了一定程度的應(yīng)用。但是由于其儲(chǔ)氣壓力高達(dá)20MPa以上，對(duì)儲(chǔ)存容器的要求高，具有一定的危險(xiǎn)性，而且能量存儲(chǔ)密度不大，不具有大規(guī)模發(fā)展應(yīng)用的可能性。

（三）LNG儲(chǔ)運(yùn)

LNG儲(chǔ)運(yùn)方式是利用低溫技術(shù)將天然氣液化，并以液體形式進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)的一種技術(shù)，一般采用丙烷預(yù)冷的混合制冷劑液化。LNG液化后的體積遠(yuǎn)比氣體小，在運(yùn)輸方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。LNG運(yùn)輸是目前天然氣遠(yuǎn)洋輸送的主要手段，是提高海洋、荒漠地區(qū)天然氣開發(fā)利用率的有效方法。同時(shí)，LNG輸送成本僅為管道輸送的1/6～1/7，并可降低因氣源不足敷設(shè)管道而造成的風(fēng)險(xiǎn)。但是，LNG工廠規(guī)模龐大、設(shè)備昂貴，凈化、液化工藝復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用較高。世界上大多數(shù)LNG都是采用船運(yùn)的方式，LNG船結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)要求高，耗資巨大。另外，由于儲(chǔ)存溫度低，LNG一旦發(fā)生泄漏將很快形成爆炸云團(tuán)。因此，在生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)過程中危險(xiǎn)性很高。

（四）ANG儲(chǔ)運(yùn)

ANG儲(chǔ)運(yùn)方式克服了CNG儲(chǔ)存壓力過高的缺點(diǎn)。ANG是在儲(chǔ)罐中裝入高比表面的天然氣專用吸附劑，利用其巨大的內(nèi)表面積和豐富的微孔結(jié)構(gòu)，在一定的儲(chǔ)存壓力（3～4MPa）下使ANG達(dá)到與CNG相接近的存儲(chǔ)容量，使用時(shí)再通過降低儲(chǔ)存壓力，使被吸附的天然氣釋放出來(lái)。ANG降低了儲(chǔ)存壓力，使用安全方便，儲(chǔ)存容器無(wú)須隔熱，材質(zhì)選擇余地大，質(zhì)輕，低壓，具有一定的發(fā)展前景。

（五）NGH儲(chǔ)運(yùn)

NGH儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是近幾年國(guó)外研究發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，由于NGH儲(chǔ)量豐富，應(yīng)用前景廣闊，現(xiàn)已成為能源前沿科學(xué)的熱點(diǎn)課題。一個(gè)單位體積的NGH固體中可含有100～300倍體積的天然氣氣體，以水合物形式來(lái)儲(chǔ)運(yùn)天然氣具有體積小的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，NGH的儲(chǔ)存壓力比CNG和LNG低，增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性。另外，NGH儲(chǔ)運(yùn)方式不需要復(fù)雜的設(shè)備（只需一級(jí)冷卻裝置），工藝流程簡(jiǎn)化;在水合物狀態(tài)下儲(chǔ)運(yùn)氣體的裝置不需要承受壓力，采用普通鋼材制造即可。

根據(jù)天然氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，在此重點(diǎn)闡述ANG儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)。

三、ANG（吸附儲(chǔ)運(yùn)天然氣）的技術(shù)

（一）ANG儲(chǔ)運(yùn)原理

吸附儲(chǔ)存天然氣（ANG）技術(shù)是在儲(chǔ)罐中裝入高比表面的天然氣專用吸附劑，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）下將天然氣吸附儲(chǔ)存的技術(shù)。當(dāng)儲(chǔ)罐的壓力低于外界壓力時(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)罐的壓力時(shí)，氣體從吸附劑固體表面脫附而出供應(yīng)外界。在儲(chǔ)存容器中加入吸附劑后，雖然吸附劑本身要占據(jù)部分儲(chǔ)存空間，但因吸附劑的天然氣密度高，總體效果仍將顯著提高天然氣的體積能量密度。

（二）ANG技術(shù)的特點(diǎn)

ANG的主要特點(diǎn)在于較低壓下3.5～5MPa（僅為CNG的1/4～1/5）即可獲得接近于高壓20MPa下CNG的儲(chǔ)存能量密度。由于儲(chǔ)氣壓力低，在儲(chǔ)氣設(shè)備的容重比、型式、儲(chǔ)氣系統(tǒng)的成本等方面較CNG有較大優(yōu)勢(shì)。且儲(chǔ)罐形狀和材質(zhì)選擇余地大，具有質(zhì)輕低壓，使用方便和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。表1為目前3種天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的比較。

（三）ANG技術(shù)研究現(xiàn)狀

ANG技術(shù)關(guān)鍵是開發(fā)甲烷吸附量高的天然氣專用吸附劑和吸附儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)。在此從吸附劑和儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行闡述。

第一，吸附劑研究現(xiàn)狀。ANG技術(shù)的關(guān)鍵是高性能吸附劑的開發(fā)，吸附劑的瓶頸問題一旦得到解決就可能很快發(fā)展起來(lái)。除了車用外，ANG技術(shù)在天然氣調(diào)峰、船舶運(yùn)輸、取代LNG為遠(yuǎn)離天然氣管線的用戶提供天然氣及取代CNG為發(fā)電機(jī)提供緊急燃料供應(yīng)等方面顯示了廣闊的應(yīng)用前景。高表面活性炭這種高性能吸附劑的開發(fā)和制備正為ANG技術(shù)的發(fā)展提供了良好的契機(jī)。目前，該高表面活性炭的制備狀況良好。2007年，四川大英聚能公司建成30t/a生產(chǎn)線，已有產(chǎn)品推向市場(chǎng)。2009年，吉林鴻宇科技公司開始建設(shè)10t/a生產(chǎn)線，處于調(diào)試期，產(chǎn)品生產(chǎn)成本有望降至5×104元/t。以后將逐步形成萬(wàn)噸級(jí)的生產(chǎn)規(guī)模，并發(fā)展其相關(guān)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)。

第二，儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)現(xiàn)狀。采用內(nèi)置盤管的天然氣儲(chǔ)罐，盤管內(nèi)采用冷卻水為介質(zhì)。在儲(chǔ)氣時(shí)，盤管內(nèi)通入冷卻水，降低吸附劑床層的溫度，提高吸附劑的吸附性能;放氣時(shí)，盤管內(nèi)通入熱水，提高吸附劑床層的溫度，提高吸附劑的有效吸附量。

對(duì)比我公司生產(chǎn)18m?的高壓氣體運(yùn)輸半掛車，使用CNG和ANG方式儲(chǔ)運(yùn)天然氣的參數(shù)對(duì)比見表2。

CNG與ANG儲(chǔ)罐占用同樣大的車載體積，而CNG儲(chǔ)罐的公稱（2.25×8=18m3）卻比ANG儲(chǔ)罐的公稱體積（45m3）小得多。ANG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力（5MPa）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CNG鋼瓶的設(shè)計(jì)壓力（20MPa），這使得兩種儲(chǔ)罐的材質(zhì)要求和制瓶工藝復(fù)雜程度也不同，CNG儲(chǔ)罐制瓶工藝復(fù)雜，且高壓要求需有6級(jí)壓縮，需要高壓加氣設(shè)備;ANG儲(chǔ)罐制瓶工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，由于壓力較小，在運(yùn)行的過程中比CNG儲(chǔ)罐具有更高的安全性。另外，ANG在較小壓力下充裝天然氣體積大于CNG在較大壓力下充裝天然氣體積。

（四）ANG技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

第一，燃?xì)庹{(diào)峰。我國(guó)目前主要應(yīng)用地面大型儲(chǔ)罐供城市天然氣的調(diào)峰，其壓力與管網(wǎng)的壓力相當(dāng)。如果采用ANG技術(shù)，則儲(chǔ)罐固定成本比現(xiàn)有的多了吸附劑的成本，但是按25℃、3.5Mpa下儲(chǔ)氣150（體積比）算儲(chǔ)氣能力卻是現(xiàn)有的4～5倍，可節(jié)省大量鋼材及占地面積，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

第二，零散氣井的儲(chǔ)運(yùn)開發(fā)。根據(jù)相關(guān)報(bào)道，由于儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的短缺，我國(guó)天然氣產(chǎn)量中的8%～10%被白白燃放掉;按傳統(tǒng)的管線輸送方式計(jì)算，目前我國(guó)內(nèi)地還存在眾多沒有開采價(jià)值的中、小型氣田資源，大大降低了我國(guó)天然氣的總產(chǎn)量。如采用ANG儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)則可把這些零散井的天然氣以較低的成本、較小的風(fēng)險(xiǎn)、方便靈活的方式輸送到主管網(wǎng)中。隨著我國(guó)能源對(duì)外依存度的加大和天然氣價(jià)格的上漲，ANG技術(shù)在這方面的應(yīng)用前景會(huì)越來(lái)越廣闊。

四、結(jié)語(yǔ)

第一，管道輸送技術(shù)成熟，單受氣源、距離及投資等條件的限制，遠(yuǎn)洋輸送不易實(shí)現(xiàn)，而且運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用較高。

第二，LNG輸送方式在大規(guī)模、長(zhǎng)距離、跨海船運(yùn)方面應(yīng)用廣泛，其儲(chǔ)存密度大、壓力低、系統(tǒng)的安全性和可靠性比較高，但天然氣液化臨界壓力高、臨界溫度低、液化成本高、技術(shù)難度大。尤其是建設(shè)初期成本投資巨大，在目前常規(guī)的輸配站受安全因素的制約，不能在人口密集的地區(qū)設(shè)立。

第三，CNG技術(shù)成熟度高，具有靈活性強(qiáng)、投資少等特點(diǎn)，特別適合于用氣量不大、用戶距氣源及輸氣干線較遠(yuǎn)的情況。缺點(diǎn)是運(yùn)行費(fèi)用較大，不適合遠(yuǎn)距離輸送，存在較大的安全隱患。

第四，ANG儲(chǔ)運(yùn)壓力較低，安全性高，對(duì)儲(chǔ)罐主材要求低，制作工藝要求和制造成本低。

第五，NGH儲(chǔ)存密度高，投資運(yùn)行費(fèi)用低，安全性高，具有較大的應(yīng)用和發(fā)展?jié)摿?，單?chǔ)運(yùn)技術(shù)目前還處于研發(fā)階段。

參考文獻(xiàn)

[1] 藍(lán)少健，鄒華生，黃朝輝，等.吸附天然氣（ANG）儲(chǔ)存技術(shù)吸附劑研究進(jìn)展[J].廣東化工，2006，33（10）：40-43.

[2] 陳進(jìn)富，瞿梅，徐文東.我國(guó)天然氣吸附儲(chǔ)存技術(shù)的研究進(jìn)展[J].天然氣工業(yè)，2002，22（4）：95-97.

[3] 王秀芳，張會(huì)平，肖新穎，等.高比表面積活性炭研制進(jìn)展[J].功能材料，2005，7（36）：975-980.

[4] 王怡琳.天然氣網(wǎng)絡(luò)吸附調(diào)峰技術(shù)研究[D].天津大學(xué)，1999.

[5] 徐正康，吳洪松.液化天然氣在燃?xì)夤I(yè)中的應(yīng)用[J].煤氣與燃力，1998（5）.

[6] 廖志敏，蔣洪.吸附天然氣技術(shù)及其應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2005，24（4）：19-22.