有句俗语叫“冰火不相容”。北京化工大学化学工程学院教授张建文团队，正在开展的一项研究则是寓火于冰——研制人造可燃冰。近日，在项目中期验收会上，张建文介绍了该项研究的进展。

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，与游离水结合形成的结晶笼状固体。天然气水合物在常压、常低温下就可以长期稳定储存，经气化后即可得到高效利用。

事实上，天然气水合物自然界早已有之，如青海省祁连山冻土地带的水合物、南海地区的水合物等。但是，天然水合物的应用却面临着开采困难、天然水合物中能量密度低等现实。

“因此，如何师法自然、通过创造适宜的环境条件，快速、持续地制造可燃冰就成为解决天然气水合物开发利用的关键技术之一。”张建文介绍。

从防治“冰堵”得灵感

研制可燃冰并非张建文团队的初衷。最早摆到他们面前要攻克的科研难题是“冰堵”。

近年来，西气东输管道二线、大—沈管道（大连—沈阳）等天然气管道均发生过冰堵问题，给管道的正常生产造成较大的影响。发生冰堵的原因是管道内部有液态或气态的水存在，温度较低时结冰堵塞管道，造成泄漏或停输事故。

“水在结冰的过程中，会把天然气里的甲烷等气体包在冰里面，形成可燃冰。要想防冰堵，首先要了解管道内天然气水合物形成的机理，由此衍生出一个新的研究方向，根据这一原理来制造可燃冰，”张建文说道。

依据天然气水合物形成的条件，北京化工大学研究团队从热力学、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，并进而提出了液相连续、气相分散的可燃冰制备流程，目前已经申请了多项专利。

在该专利技术中，高压天然气经一组喷嘴喷入反应器底部的低温、高压水流中，形成微细的气泡并与水发生反应。反应生成的水合物与过量水形成流动浆料，排入中间罐进行气—液分离。浆料自动浓集后，经过滤除去水分。最后进行造粒，形成适应不同用途的水合物颗粒。

制备而成的可燃冰并非人们想象中的冰块。张建文向科技日报记者展示的图片显示，一白色塑料桶内盛有的乳白色膏状固体物质便是可燃冰，与其说是冰，不如用“冰淇淋”来形容更准确。该物质一经点火，便可以燃烧。

张建文介绍，目前已完成规模中试，建立了具有自主知识产权的成套天然气水合物制备技术，工艺、设备均拥有自主知识产权，形成了完整的研发—设计—制造队伍，还开发了相应的工艺软件包。

“美国能源部报告称，制备出的天然气水合物，如果1立方米中含有120立方米的天然气，该项技术即具有经济价值。采用我们的技术，制备出的天气水合物的含气量可达到每立方米含160立方米以上的天然气。”张建文表示。

新型天然气储运方式

人造可燃冰和自然界形成的天然可燃冰一样吗？张建文介绍，二者在结构上是一样的。天然可燃冰的形成往往需要以万年计的时间，能源密度也较低。以青海冻土地带水合物为例，每立方米的含气量只有四五十立方米。

相比之下，人工制备的可燃冰具有形成时间短、含气密度高的特点。人造可燃冰的制备过程中，只需要10多分钟的时间便可生成可燃冰，能源密度也比较高，每立方米含有160立方米以上的天然气。

快速制备而成的人造可燃冰，运输起来也很方便。在张建文看来，人造可燃冰有望成为一种新的天然气储运方式。将天然气存储在可燃冰里运输，既不需要高压，也不需要超低温。在常压、-5℃条件下以固态存在的人造可燃冰，用普通冷藏车就可以方便、安全地运输，极大地降低了天然气运输的成本。

管道输送是天然气输送的主要方式之一，但成本高昂，每公里管道的建设成本约为1000万元。此外，从油气藏的分布来看，我国天然气气田大多地理位置偏僻、地形复杂，而众多边际气田、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，管道输送难以全面覆盖。“采用人造可燃冰技术，可大幅度节省天然气管线修建的费用，在管线修建受限的区域，能起到很好的替代作用。”张建文认为。

张建文补充道，通过建立分布式供能系统，将偏远、边际气田、海上天然气、煤层气和页岩气等资源以可燃冰的形式储运到陆地，能满足东南沿海地区对天然气的迫切需求；促进中西部地区、游牧地区的发展，实现区域均衡、可持续绿色发展；减少燃煤、生物质的用量，大大降低环境保护压力。“构建针对不同应用场合的天然气水合物能源系统，既是科学理念的创新，也是能源科技的一大创新”。

提高油气资源利用率

统计数据显示，2016年，我国天然气消费量2058亿立方米，产量约1371亿立方米，进口量721亿立方米。到2020年，天然气消费量预计将达到3500亿立方米，届时缺口将达到近1200亿立方米。

与缺口并存的是，一些油气资源的闲置和浪费。张建文指出，我国许多油田都有大量的伴生凝析气，受储运经济性的限制，通常的处理方式是将其送高架火炬塔燃烧掉。“与其白白烧掉，不如运用可燃冰制备、储运技术，促进资源有效利用”。

大量的低产能井是可燃冰制备技术的应用目标之一。中国有上千口产能下降的气井，难以用传统的管道输送、液化方式进行开采利用，如果能应用可燃冰制备技术，其所带来的经济效益和能源效益都很巨大。对此，张建文算了一笔账，以单井可回收天然气1000万立方米/年计算，上千口低产能井可利用的天然气能源资源相当于西气东输一期管线120亿立方米的年输气量。

煤炭价格的走低和煤炭资源的逐渐枯竭，使得一些产煤大省有着迫切的产业转型需求。“我们目前正在和山西省展开合作，建议当地把一些废弃煤矿转为可燃冰的储气库，将煤层气制备为可燃冰，发展可燃冰制备产业，当地原先的煤矿工人也随之转变为可燃冰产业工人，帮助当地实现经济结构的转型调整。”张建文说道。

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