天然气加热技术现状与发展趋势

路天玥

天然气加热技术现状与发展趋势

路天玥

（西安石油大学， 陕西 西安 710065）

天然气作为清洁能源之一，在工业、生活中已经得到了广泛应用。为保证天然气的安全稳定运行，通过加热来提升温度已成为预防天然气水合物生成的一大关键技术。针对天然气加热技术这一主要方向进行了研究整理，对目前常用的加热炉加热、电加热技术和先进的催化式红外加热技术、多源热泵系统以及石墨烯加热技术进行了综述，并对其后期发展进行了进一步探讨。

天然气； 加热技术； 可持续发展

天然气作为当前主要的清洁能源之一，现已在工业、生活中得到了广泛应用，在石油化工行业中，天然气的开采技术已经得到了广泛的发展；但由于高压天然气流经节流阀时，流道突变产生焦耳-汤姆逊效应会导致温度较低，甚至在节流阀出口处形成冰堵现象[1]，严重时会导致天然气管道的堵塞、憋压，因此预防天然气水合物的生成对于天然气的稳定开采、安全运行都起到了很大的作用。

当前，预防水合物生成的方法包括添加抑制剂以及升温法、降压法等破坏水合物的生成条件[2]。但添加抑制剂这一方法在实际操作中往往会因加剂量难以把握、加剂位置不准确等问题致使操作难度大大提升，而对天然气进行加热的升温法操作便捷并且可以很好的提高加热效果，因此天然气加热技术便得到了现场的广泛使用。

近年来，随着天然气加热技术的不断发展，如何提升加热效率、如何提升加热温度、如何利用可持续发展能源已成为了加热技术的研究发展趋势，本文也正是针对这一问题，对天然气加热技术进行了总结整理，并利用现有的加热技术对其发展趋势进行了一定的研究探讨。

1 加热技术现状

针对天然气的加热有许多技术研究，目前国内最广泛的天然气加热技术应用主要集中于水套/真空加热炉以及电加热技术，此类传统加热技术加热温度较高、加热速度较快，因此在现场中得以广泛应用；而对于催化式红外加热、石墨烯等先进加热技术目前还应用较少，此类技术的研究国外开始较早，目前国内也进行了大量的研究工作，在加热效率、加热温度上都得到了进一步的提高。

1.1 加热炉加热

水套/真空加热炉的性能特点主要集中在燃烧技术及传热和换热技术上。水套炉主要采用两种形式燃烧系统，一种是全自动微正压燃烧器，一种是自然通风负压燃烧系统[3]。随着智能化以及自动化要求的提升，油田已开始采用配设全自动的燃烧器，这也使得加热炉在自动燃烧技术上得到了提升与发展，实现了全自动燃烧功能；其次，当前加热炉中采用了螺纹烟管、波纹炉管传热技术，增强了加热炉的换热效果，又采用相变换热原理，充分利用水蒸气的汽化潜热来进行加热，热效率更是高于普通的加热炉。同时，为了实现“节能减排”，加热炉也利用多种余热回收技术[4]来减少加热炉燃料的消耗，真正为加热炉进一步实现高效应用提供了技术保障。

2021年，长庆油田第十一采油厂就已拥有真空相变加热炉就占有30台，占现场加热炉总数量的9%；这些真空加热炉的平均寿命已达到了7年以上，最长使用时间也超过了10年[5]。

1.2 电加热技术

电加热供热技术是一种利用电能作为供热源从而实现供热的加热技术，电加热供热产品主要分为电阻式电热转换和电磁式电热转换。电加热技术本身就拥有很好的环保性和适应性，可以将天然气加热至220 ℃[6]；通过电热技术优化，可以实现能源的合理综合利用，同时也能为满足原油生产储运工作、提升技术创新升级水平创造良好的条件[7]。

当前电热锅炉制造厂生产的电热锅炉大都是电阻式的，加热炉中电热元件的形状应用较为广泛的是U形、高阻抗管形以及蛇形管，而采取电极式水介质电阻作为电热元件的设备还未能得到油气田现场的实际应用，因此电热元件的构造设计在后期发展中也是研究的一个重点；同时，现今也研发出了气田井口智能电加热装置[8]，针对操作弹性较大的升温系统，通过智能控制可以达到智能调节、远程监控和装置无人化职守的功能，这对于新气田的开采更是实现了油田智能化的要求。

1.3 催化式红外加热技术

红外加热技术和催化燃烧技术是五十年代便研究和发展起来的新技术，催化式红外加热技术结合二者，将燃烧介质与催化剂混合，在催化剂表面的影响下，燃料会进行无焰的燃烧，也正是因为没有可见光的出现，能量的损失便会随之减少，这些没有损失的大部分能量将会转化为红外辐射，以此来达到加热的目的。

红外加热技术大都可以将加热温度提高至500 ℃以上，但此技术在油田应用尚浅，加热效果还有待提高；催化燃烧的核心是催化剂的选择和制备，良好的催化剂可提升反应活性、降低燃烧温度[9]。而如何利用这一技术对天然气进行加热、如何使用合适的催化剂、如何与现场实际情况相结合等这些问题还需今后对其进行进一步的研究探讨。

1.4 光热-空气源热泵加热技术

太阳能光热与空气源热泵各有利弊，两者互补是制热技术的发展方向之一[10]。针对于光热-空气源热泵加热技术，E. B. Penrod和K. vPrasanna早在20世纪60年代就提出把太阳能和地埋盘管相互结合[11]，这一思想被提出以后便出现了大批国内外学者对其进行了深入的研究探讨。在太阳能与空气相结合的的复合热泵加热系统方面，当前研究人员主要是从单独热泵系统的构架组装、改装以及系统元件改进方面进行研究，以此来达到系统之间的适应连接。

国外对这一技术的研究出现了很多系统的设置研发以及技术改进，美国的JamesA.Eibling[12]、土耳其特拉布宗的KamllKaygusuz[13]等在原有技术支持下，对将太阳能集热器、蓄热水箱、热水箱、换热器、压缩机、水源蒸发器、空气源蒸发器、空气源冷凝器和室外换热盘管等进行组装，最终研发出了具有多种运行模式太阳能与空气相结合的热泵系统；在后期发展中为了实现热源温度的有效提升，部分学者还利用太阳能空气集热器对空气温度进行了提升，并以此为依据建立了太阳能热泵系统；近年来，应用太阳能光伏[14]来加大太阳能光热的吸收也在此技术中得到了一定的发展。

目前，使用空气源热泵系统已经应用至油田现场中，但其结合太阳能光热的技术还未得到实质上的应用，在天然气加热方面还仍待考究。

1.5 石墨烯薄膜加热技术

石墨烯是目前一种新型材料，它因为优异的高导电性、强机械性、高导热性等特点[15]，使其在电热领域具有非常大的发展空间；在当前的电子、能源、化工、材料等领域也是得到了广泛应用。石墨烯材料的制备方法主要包括有化学方法和物理方法，其中化学方法包括化学气相沉积（CVD）法、氧化还原法等，物理方法包括机械剥离法、液相剥离法、超临界二氧化碳剥离法等；在制备用于电加热的石墨烯薄膜时，制备方法则主要包括层层涂覆法、GO（氧化石墨烯）膜还原法、导电浆料涂敷法等[16]。

就目前发展来看，石墨烯主要是用于仪器的材料制备，利用本身特性以此来提升加热设备导热导电性能。现已制备出柔性石墨烯/碳纳米纤维素/聚偏氟乙烯等复合型电加热膜[17]，同时也研制出了CVD反应炉[18]等为石墨烯的制备提供了精密仪器。

2 加热技术发展

在上述加热技术中，随着提升加热效率、提高加热温度、增加资源利用率等要求的提出，其加热性能要求也是在不断提升。同时，为构建低碳环保的绿色能源发展体系，开发太阳能等可再生能源已成为发展的重要内容，国内外加热技术的发展也正在向此方向靠拢。

2.1 国内发展趋势

对于水套/真空加热炉的发展，主要是为了解决其运行中排烟热损失、气体未完全燃烧的损失以及散热损失所造成的效率低下的问题，因此合理控制热负荷、控制风量配比、合理改造燃烧器、加热炉余热回收以及加热炉的预热[19]便成了主要的发展内容，同时为实现仪器设备自动化，对加热炉进行SCADA技术[20]改造也为今后井场智能化提供了发展方向；而对于电加热技术，其发展趋势包括有提升设备导电材料的导电传热性能研究、加热器联接形式研究、加热元件位置放置性能分析、蓄热器设计研究以及电加热辅助供热技术的研究。

国内对于加热技术发展，在其他新兴技术方面也进行了引进和研究。类似光热-空气源热泵系统，国内张小松[21]等研制了一种新型太阳能-空气复合热源热泵热水装置，并建立了系统的数学模型，研究了系统的运行模式与特性；根据太阳能辐射条件和空调负荷变化的几种工作模式，刘业凤[22]设计了太阳能-空气双热源式热泵及热水系统。后期该系统的研发又逐步转向了系统的安装连接[23]、光伏组件的应用[24]、提质增效的研究上，更是出现了智能算法对系统的优化设计[25]。

在石墨烯发展方面，主要集中于薄膜的制备、复合材料的研制以及设备制作等方面。越来越多的学者通过大量实验研究以此来制备性能更为优良的石墨烯材料，为今后石墨烯材料在加热方面的应用提供了大量的技术支持；同时也研究出基于皮秒激光工艺的石墨烯薄膜微加热器[26]等，但此类加热器加热温度不高，在提升温度方面还需进一步发展。

2.2 国外发展趋势

对于催化式红外加热技术发展，国外主要集中于催化剂的性能研究上，现已衍生出有贵金属催化剂（Pd催化剂、Pt和Au催化剂等）、非贵金属氧化物催化剂（CeO2等）、钙钛矿型氧化物催化剂、类钙钛矿型氧化物催化剂、尖晶石型氧化物催化剂、烧绿石型氧化物催化剂等[27-28]；针对光热-空气源热泵系统的发展，主要集中于各种加热设备系统的研究，对系统结构进行整体或局部的优化，以此使热泵系统满足负荷要求、提升其加热效率，并且通过研究光热组件等来提高资源利用率；在石墨烯方面，虽然目前该技术在天然气加热方面还存在温度不够高等问题，但后期研究表明，如何将石墨烯与复合材料结合、如何提高石墨烯导热导电性能、如何适用于加热设备中等都是今后石墨烯加热的发展方向，并且经过研究现已衍生出石墨烯纳米带环氧涂层、全氟十二烷基石墨烯纳米带薄膜、石墨烯泡沫聚合物等复合材料。

3 总结与展望

国内外对于加热技术的发展集中于提升效率、降低成本、节约能源，利用新能源更是未来加热技术的发展趋势。目前，类似多源热泵系统、石墨烯等技术在天然气加热方面还未得到广泛应用，而这些新技术的发展国内外都在同步研究中，对今后天然气加热技术的应用也都会起到提质增效的作用。

对于天然气加热技术的后期发展，还有一些地方值得思考注意：

1）在加热技术上，应该在导热、导电性能以及余热回收方面进行更深层次研究。加热技术效果主要体现在传热效果上，利用有效的材料对技术进行研究一直都是今后加热技术提质增效的优良保障；同时，将本会损失掉的热量利用起来，对于降低燃料消耗等方面都将体现出现实意义。

2）在加热设备的研究上，可以对设备的安装方式、设备改造进行研究。像是研究设备串并联的适用性、设备的元件改造、设备智能化等，这些都会在一定程度上对天然气的加热起到辅助作用，对实际的现场应用也会提供多种适用方法。

3）对于天然气加热技术的提升，可以更多的利用可持续资源进行发展。在绿色环保的基础上让资源得到有效利用，为后期技术的良性发展提供技术支持。

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Present Situation and Development Trend of Natural Gas Heating Technology

（Xi'an Shiyou University, Xi'an Shaanxi 710065, China）

As one of clean energy, natural gas has been widely used in industry and life. In order to ensure the safe and stable operation of natural gas, heating to raise the temperature has become a key technology to prevent the formation of natural gas hydrate. In this paper, the main direction of natural gas heating technology was studied and sorted out. The commonly used heating furnace heating, electric heating technology, advanced catalytic infrared heating technology, multi-source heat pump system and graphene heating technology were summarized, and their later development was further discussed.

Natural gas; Heating technology; Sustainable development

2021-08-15

路天玥（1999-），女，陕西省渭南市人，在读研究生，2021年毕业于西安石油大学油气储运工程专业，研究方向：油气管道运输。

TQ025.1

A

1004-0935（2023）02-0279-04