天然气能源技术及其利用

1天然气能源技术及其利用中澳天然气技术伙伴基金培训项目二○一三年七月十七日2燃气的基本知识1新的天然气能源及其利用2冷热电联供系统3LNG的冷能利用4目次（Contents）3燃气发展历史公元前6000-2000年间，伊朗首先发现了从地表渗出的天然气。许多早期的作家都曾描述过中东有原油从地表渗出的现象。4燃气发展历史特别是在今日阿塞拜疆的巴库地区（祖上为突厥人）。渗出的天然气刚开始可能用作照明，崇拜火的古代波斯人因而有了“永不熄灭的火炬”。15世纪的希尔凡王宫5燃气发展历史3000年前，四川成都的制盐者，已成熟地掌握用竹管输送天然气到盐锅熬制食盐的技术——井火煮盐图。1812年伦敦威斯敏斯特煤气公司将炼焦煤气通过凿空的圆木连接起来输送到大桥两侧的路灯进行照明，这是第一条工业应用燃气管道。6燃气的分类第二类第一类第三类天然气华白指数：9860~13850（天然气中甲烷含量大于85%）人工煤气华白指数：5700~7500（人工煤气主要是一氧化碳，还有少量氢气）；石油气华白指数：18500~22075（石油气是指丙烷或丁烷的混合气体）。7天然气的种类及其气质标准天然气Naturalgas气田气(或称纯天然气)通常，有机物埋藏在1千至6千米深，温度在65至150摄氏度，会产生石油，而埋藏更深、温度更高的会产生天然气。油层伴生气伴随石油一起逸出的气体，及部分溶于石油中的天然气。因含有少量易挥发的液态烃。主要用于制取甲醇等化工原料或用作燃料。凝析气田气来源于凝析气藏。凝析气藏既产油也产气。凝析气藏中的原油在地层压力和温度下成气态，到地面压力降低成为液态。煤层气与矿井气煤田的煤层气与渗入煤层的井巷空气的。8按照组分分类干气贫气酸性气富气洁气湿气每基方井口流出物中，C5以上重烃含量低于13.5立方厘米每基方井口流出物中，C5以上重烃含量大于13.5立方厘米每基方井口流出物中，C3以上重烃含量低于94立方厘米每基方井口流出物中，C3以上重烃含量低于94立方厘米含有显著的H2S和CO2等酸性气体H2S和CO2含量甚微9（GB17820—1999)技术指标与行业分类标准10页岩气页岩气（ShaleGas）特指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中中的非常规天然气。它以吸附态和游离态为主要方式存在并富集。吸附阶段孔隙充填阶段裂缝充填阶段页岩气藏阶段有机质和黏土颗粒表面吸附与解吸气体流入页岩基质孔隙气体进入天然裂缝网络最终形成页岩气藏页岩气赋存方式与成藏过程示意图（据RonMcDonald，2002）11国外页岩气发展现状国家和地区技术可采资源量（万亿方）加拿大、墨西哥30.3美国24.4北美合计54.7南美7国34.7欧洲（不含俄联邦）17.7非洲29.5中国36澳大利亚11.2合计187.4美国能源署统计全球已掀起“页岩气革命”，目前已有多个国家在进行页岩气前期评价和勘探开发先导试验，其中以美国页岩气勘探开发较为成熟。12世界油气资源统计资源类型远景资源累计采出剩余量待发现量备注常规油气石油（×108t）4110~5479102910322049~3418探明程度43%天然气（×1012m）436.169.4149.5217.2探明程度50%非常规油气石油（×108t）超重油及沥青（油砂）：5206常规石油的1.8-2.9倍油页岩：3397-8534合计：8603-13740天然气（×1012m）煤层气：168-312/中值256.1常规天然气的2.2倍致密砂岩气：209.6页岩气：456天然气水合物：2501合计：3423页岩气—成分以甲烷为主，与“煤层气”、“致密气”同属一类。中国的页岩气储量超过加拿大以外的任何一个国家，可采储量有36万亿立方米。按当前的消耗水平，这些储量足够中国使用300多年。13常规砂岩700m孔隙系统矿物骨架含气页岩100m孔隙中的自由气孔隙中的自由气和干酪根吸附气干酪根页岩气并不形成类似于常规油气的圈闭，具有自生自储、无气水界面、大面积低丰度连续成藏、低孔、低渗等特征，存在局部富集的“甜点”区。一般无自然产能或低产，需要大型水平井和水力压裂技术才能进行经济开采。14天然气水合物天然气水合物（NaturalGasHydrate，简称GasHydrate）是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。1516化学成份(mCH4·nH2O)高度压缩的固态天然气外表上看它像冰霜甲烷占80％-99.9％密度比水轻（922Kg/m3）17水合物形成的条件可燃冰可在0℃以上生成，但超过20℃便会分解。而海底温度一般保持在2~4℃左右。可燃冰在0℃时，只需30个大气压即可生成，而以海洋的深度，30个大气压很容易保证，并且气压越大，水合物就越不容易分解。海底的有机物沉淀，其中丰富的碳经过生物转化，可产生充足的气源。18最有可能形成甲烷水合物的区域是：（1）高纬度的冻土层(permafrostregions)如美国的阿拉斯加、俄罗斯的西伯利亚都已有发现，而且俄国已开采近20年。（2）海底大陆架斜坡(deep-waterregions)如美国和日本的近海海域，加勒比海沿岸及我国南海和东海海底均有储藏。19西南中沙群岛的油气田分布初步证实存在天然气水合物的区域：南海西沙海槽、东沙陆坡、台湾西南陆坡、南沙海槽、冲绳海槽。2021乐滩等10几个盆地，总面积约41万平方公里，油气地质储量估计为350亿吨。其中曾母暗沙盆地的油气地质储量为126一137亿吨。位于南沙群岛的海宁礁（HeraldReef）大约70公里南部。南沙油气资源主要分布在曾母暗沙万安西和礼22•2009年9月中国地质部门公布，在青藏高原发现了一种名为可燃冰(又称天然气水合物)的环保新能源，预计十年左右能投入使用。这是中国首次在陆域上发现可燃冰，使中国成为加拿大、美国之后，在陆域上通过国家计划钻探发现可燃冰的第三个国家。初略的估算，远景资源量至少有350亿吨油当量。23气体水合物的类型晶体类型水分子数晶穴种类晶穴数晶穴结构I型46小大2651251262II型136小大16851251264H型34小中大3215124356635126824我国天然气水合物成藏远景区我国天然气水合物成藏远景区：南海海区、青藏高原冻土区、东海部分海域。据推测，我国南海资源量可达700亿吨。25由于可燃冰在常温常压下不稳定，因此开采可燃冰的方法设想有：①热解法②降压法。③二氧化碳置换法。26地质灾害通常认为是由地震、火山喷发、风暴波和沉积物快速堆积等事件或因坡体过度倾斜而引起的。然而，近年来研究者不断发现，因海底天然气水合物分解而导致斜坡稳定性降低是海底滑坡产生的另一个重要原因。天然气水合物以固态胶结物形式赋存于岩石孔隙中，天然气水合物的分解会使海底岩石强度降低；另一方面因天然气水合物分解而释放岩石的孔隙空间，会使岩石中孔隙流体（主要是孔隙水）增加和岩石的内摩擦力降低，在地震波、风暴波或人为扰动下孔隙流体压力急剧增加，岩石强度降低，以至于在海底天然气水合物稳定带内的岩层中形成统一的破裂面而引起海底滑坡或泥石流。•海底滑坡2728•海洋生态环境的破坏如果在开采过中向海洋排放大量甲烷气体将会破坏海洋中的生态平衡。在海水中甲烷气体常常发生下列化学反应：CH4+2O2=CO2+2H2OCaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2这些化学反应会使海水中O2含量降低，一些喜氧生物群落会萎缩，甚至出现物种灭绝；另一方面会使海水中的CO2含量增加，造成生物礁退化，海洋生态平衡遭到破坏。29小结：小结：水合物分解产生的滑塌、滑坡和浊流则可能进一步引发新的地震和海啸。水合物分解引起的地质灾害还会导致海底生态环境恶化而殃及海洋生物。在里海和巴拿马北部近海还发现水合物分解产生的海底泥火山。全球冻土层退化，存在天然气水合物大量释放的危险。在高纬度永冻土带及极地地区，油井、油气管道等生产设施中水合物的形成会造成管路堵塞，而产生事故或灾害。30•气候CH4的温室效应比CO2要大21倍。在自然界，压力和温度的微小变化都会引起天然气水合物分解，并向大气中释放甲烷气体。据测算，甲烷的全球变暖的潜能在20年的期间内是二氧化碳的56倍。31•很多科学家认为，天然气水合物中的甲烷最终将对全球气候产生稳定的影响。在冰期开始时，地球变冷，冰盖扩大而引起海平面下降，海平面的下降又引起对海底压力的下降，这样就引起了天然气水合物的离散和甲烷释放，增加大气的温室效应，从而阻止了全球继续变冷。这样，天然气水合物可能是稳定全球温度的一个重要因子。如果大量开发天然气水合物，人为破坏这种自然调节的平衡，后果将怎样呢？32水合物储运技术三井造船公司宣布2008年造出世界首轮NGH运输船，目前该公司已经拥有运输能力达600吨/天的技术，建造了一个日生产及气化能力达600kg/d的天然气水合物球运输链，来论证水合物的连续生产过程，它包括生成、制球、储存、运输和气化过程。33Reactor34pelletizer35Regasfication36SceneofPelletDischarge37SceneofPelletStorage38•储气量大，1m3的天然气水合物可储存150-180m3的天然气；•水合物的形成条件不苛刻，在0~10℃，2~6MPa即可生成，工业上很容易实现；•天然气水合物在常压下大规模储存和运输是不必冷却到平衡温度以下，而是将水合物冷冻到水的冰点以下(-15～-5℃)，保持完全绝热，水合物就可以保持稳定。39•各环节的主要参数为：--气源：压力4MPa；--水合物合成：压力约5-6MPa，温度0-4℃；--汽车储罐：保温性能良好，温度-15℃~-10℃。密闭储存，安全阀压力可设置为0.6~0.8MPa。--气化：用20-30℃的水使水合物气化，且要达到用户用气压力要求。我国有大量零散的气田，LNG和管道输送一次性投资大，不经济适用，可考虑采用NGH的方式输运。40NGH的应用前景挪威科学家证实NGH技术的经济性较LNG好，可节约成本20-30%。投资和运营费用低。投资、运营费用低既适合贫气又适合富气。NGH可以很容易控制生成任何组成成分的气体水合物；安全性：因气化需要大量的潜热，还有它易于控制的保存状态，它的低毒性。储量大、安全性抗爆性能好。泄漏时，比空气密度小，释放缓慢。洁净、能量密度大调峰特征陆上或远洋运输汽车代用燃料41LNG和NGH设备投资费用比较4243NGHproductionCarriersRegasificationLNGNGHProduction0.510.3335%Carriers0.320.306%Regasification0.170.1324%Total1.000.7624%44能量的分类(1)第一类型能量——无限转换能：具有完全转换能力、完全有序、可以转化为技术功的能量如：运动体系中的宏观动能、位能以及电能等(2)第二类型能量——有限转换能：具有部分转换能力、只有部分可以转化为技术功的能量如：内能、热能等（显热的有效能随热输出温度降低而降低）45比有效能0HHEE有•体系具有的总有效能与其具有的总能量之比(3)第三类型能量——非转换能：完全不具有转换能力、不能转化为技术功的能量如：处于环境状态下的热能，环境状态下物质具有的内能等46能源的品位数量相同而形式不同的能量，做功本领不同。数量相同的同种物系，若所处的状态不同，其所具有的能量做功的本领也不相同。任何自发过程都是由能量品位高的状态向能量品位低的状态的变化过程。47能源的品位能量守恒性把不同形式的能量在数量上统一起来，却把其在质量上的差异掩盖了。房间温度维持在27℃电炉丝温度维持在927℃电能（1kW）1）高品位的电能直接转换成低品位的热能2）大温差传热过程按放热1kw计，产生0.75kw做功能力损失。有悖于科学用能的原则。48天然气余热回收利用•燃气燃烧会有余