天然氣儲運方式研討

黃召昌 張全林 秦瑞

摘 要 天然氣被認為是21世紀較為清潔的、豐富的能源，需大量的天然氣作為原料，因此需求日益增長。然而，作為不可再生資源，天然氣在世界范圍內分布極不均勻。因此，為大大方便存儲和運輸，可以選擇相關的方式先進儲存和運輸，本文主要介紹了吸附儲運天然氣。

關鍵詞 天然氣 儲運

一、天然氣儲運的方式

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運方法將天然氣運輸至指定的地點。天然氣的儲運方法目前有五種，分別是管道儲運、壓縮方式儲運（CNG）、液化儲運（LNG）、吸附儲運（ANG）和天然氣（NGH）。

二、儲運方式的特點

（一）管道儲運

管道儲運適用于穩定氣源與穩定用戶間的長期供氣情況，是一種成熟的已得到廣泛應用的技術。目前，約占總量的75%的天然氣采用管道輸送。我國的輸氣管道主要分布在四川盆地、東北地區和華北地區，管道總長約為20000Km。隨著天然氣用戶的增多和銷量的增長，天然氣管道總長還將快速增加。管道輸送的缺點是投資大、成本高，高壓天然氣管網造價在500～2600萬元/公里。

（二）CNG儲運

CNG儲運是將天然氣進行高度壓縮至20～25MPa，再用高壓氣瓶組槽車通過公路運輸，或將天然氣充入一個灌輸容器中，將容器固定在運輸船上海運，還可以將管束容器制成鐵路運輸槽車的形式通過鐵路運輸，在使用地的減壓站（輸配站）將高壓天然氣經1～2級減壓（1.6MPa左右），然后泵入儲罐，或進一步調壓進入城市管網。CNG儲運使用與零散用戶及車用燃氣的用氣，技術難度低，成熟度高，在我國得到了一定程度的應用。但是由于其儲氣壓力高達20MPa以上，對儲存容器的要求高，具有一定的危險性，而且能量存儲密度不大，不具有大規模發展應用的可能性。

（三）LNG儲運

LNG儲運方式是利用低溫技術將天然氣液化，并以液體形式進行儲運的一種技術，一般采用丙烷預冷的混合制冷劑液化。LNG液化后的體積遠比氣體小，在運輸方面具有很大的優勢。LNG運輸是目前天然氣遠洋輸送的主要手段，是提高海洋、荒漠地區天然氣開發利用率的有效方法。同時，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管道而造成的風險。但是，LNG工廠規模龐大、設備昂貴，凈化、液化工藝復雜，運行費用較高。世界上大多數LNG都是采用船運的方式，LNG船結構復雜，技術要求高，耗資巨大。另外，由于儲存溫度低，LNG一旦發生泄漏將很快形成爆炸云團。因此，在生產和儲運過程中危險性很高。

（四）ANG儲運

ANG儲運方式克服了CNG儲存壓力過高的缺點。ANG是在儲罐中裝入高比表面的天然氣專用吸附劑，利用其巨大的內表面積和豐富的微孔結構，在一定的儲存壓力（3～4MPa）下使ANG達到與CNG相接近的存儲容量，使用時再通過降低儲存壓力，使被吸附的天然氣釋放出來。ANG降低了儲存壓力，使用安全方便，儲存容器無須隔熱，材質選擇余地大，質輕，低壓，具有一定的發展前景。

（五）NGH儲運

NGH儲運技術是近幾年國外研究發展的一項新技術，由于NGH儲量豐富，應用前景廣闊，現已成為能源前沿科學的熱點課題。一個單位體積的NGH固體中可含有100～300倍體積的天然氣氣體，以水合物形式來儲運天然氣具有體積小的優點。同時，NGH的儲存壓力比CNG和LNG低，增加了系統的安全性和可靠性。另外，NGH儲運方式不需要復雜的設備（只需一級冷卻裝置），工藝流程簡化;在水合物狀態下儲運氣體的裝置不需要承受壓力，采用普通鋼材制造即可。

根據天然氣儲運設備的發展趨勢，在此重點闡述ANG儲運技術。

三、ANG（吸附儲運天然氣）的技術

（一）ANG儲運原理

吸附儲存天然氣（ANG）技術是在儲罐中裝入高比表面的天然氣專用吸附劑，利用其巨大的內表面積和豐富的微孔結構，在常溫、中壓（6.0MPa）下將天然氣吸附儲存的技術。當儲罐的壓力低于外界壓力時，氣體被吸附在吸附劑固體微孔的表面，借以儲存;當外界的壓力低于儲罐的壓力時，氣體從吸附劑固體表面脫附而出供應外界。在儲存容器中加入吸附劑后，雖然吸附劑本身要占據部分儲存空間，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技術的特點

ANG的主要特點在于較低壓下3.5～5MPa（僅為CNG的1/4～1/5）即可獲得接近于高壓20MPa下CNG的儲存能量密度。由于儲氣壓力低，在儲氣設備的容重比、型式、儲氣系統的成本等方面較CNG有較大優勢。且儲罐形狀和材質選擇余地大，具有質輕低壓，使用方便和安全可靠等優點。表1為目前3種天然氣儲運技術的比較。

（三）ANG技術研究現狀

ANG技術關鍵是開發甲烷吸附量高的天然氣專用吸附劑和吸附儲罐的設計。在此從吸附劑和儲罐設計兩方面進行闡述。

第一，吸附劑研究現狀。ANG技術的關鍵是高性能吸附劑的開發，吸附劑的瓶頸問題一旦得到解決就可能很快發展起來。除了車用外，ANG技術在天然氣調峰、船舶運輸、取代LNG為遠離天然氣管線的用戶提供天然氣及取代CNG為發電機提供緊急燃料供應等方面顯示了廣闊的應用前景。高表面活性炭這種高性能吸附劑的開發和制備正為ANG技術的發展提供了良好的契機。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生產線，已有產品推向市場。2009年，吉林鴻宇科技公司開始建設10t/a生產線，處于調試期，產品生產成本有望降至5×104元/t。以后將逐步形成萬噸級的生產規模，并發展其相關的產業技術。

第二，儲罐設計現狀。采用內置盤管的天然氣儲罐，盤管內采用冷卻水為介質。在儲氣時，盤管內通入冷卻水，降低吸附劑床層的溫度，提高吸附劑的吸附性能;放氣時，盤管內通入熱水，提高吸附劑床層的溫度，提高吸附劑的有效吸附量。

對比我公司生產18m?的高壓氣體運輸半掛車，使用CNG和ANG方式儲運天然氣的參數對比見表2。

CNG與ANG儲罐占用同樣大的車載體積，而CNG儲罐的公稱（2.25×8=18m3）卻比ANG儲罐的公稱體積（45m3）小得多。ANG儲罐設計壓力（5MPa）遠遠低于CNG鋼瓶的設計壓力（20MPa），這使得兩種儲罐的材質要求和制瓶工藝復雜程度也不同，CNG儲罐制瓶工藝復雜，且高壓要求需有6級壓縮，需要高壓加氣設備;ANG儲罐制瓶工藝相對簡單，由于壓力較小，在運行的過程中比CNG儲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技術的發展趨勢

第一，燃氣調峰。我國目前主要應用地面大型儲罐供城市天然氣的調峰，其壓力與管網的壓力相當。如果采用ANG技術，則儲罐固定成本比現有的多了吸附劑的成本，但是按25℃、3.5Mpa下儲氣150（體積比）算儲氣能力卻是現有的4～5倍，可節省大量鋼材及占地面積，具有較強的經濟優勢和市場競爭力。

第二，零散氣井的儲運開發。根據相關報道，由于儲運設備的短缺，我國天然氣產量中的8%～10%被白白燃放掉;按傳統的管線輸送方式計算，目前我國內地還存在眾多沒有開采價值的中、小型氣田資源，大大降低了我國天然氣的總產量。如采用ANG儲運技術則可把這些零散井的天然氣以較低的成本、較小的風險、方便靈活的方式輸送到主管網中。隨著我國能源對外依存度的加大和天然氣價格的上漲，ANG技術在這方面的應用前景會越來越廣闊。

四、結語

第一，管道輸送技術成熟，單受氣源、距離及投資等條件的限制，遠洋輸送不易實現，而且運行和維護費用較高。

第二，LNG輸送方式在大規模、長距離、跨海船運方面應用廣泛，其儲存密度大、壓力低、系統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、技術難度大。尤其是建設初期成本投資巨大，在目前常規的輸配站受安全因素的制約，不能在人口密集的地區設立。

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

第四，ANG儲運壓力較低，安全性高，對儲罐主材要求低，制作工藝要求和制造成本低。

第五，NGH儲存密度高，投資運行費用低，安全性高，具有較大的應用和發展潛力，單儲運技術目前還處于研發階段。

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