水合物儲運天然氣技術

摘 要：天然氣水合物儲運技術是一種嶄新的天然氣儲運方式，是利用天然氣水合物的巨大儲氣能力，將天然氣利用一定的工藝制成固態的水合物，然后再把水合物運送到儲氣站，在儲氣站氣化成天然氣供用戶使用。基于此，簡要介紹天然氣水合物（NGH）的形成、開采、儲運、分解過程，并將天然氣水合物（NGH）運輸方式與液化天然氣運輸方式進行了經濟比較，以期新型水合物儲運方式引起天然氣運輸業的革命。

關鍵詞：天然氣水合物；天然氣；水合物；儲運

中圖分類號：C93 文獻標志碼：A 文章編號：1000-8772（2012）09-0157-02

引言

天然氣水合物也稱為在較低的溫度（0℃～10℃）與較高的壓力（＞10MPa）條件下，由天然氣與水結合成的一種白色結晶固體，類似于松散的冰或致密的雪。因天然氣中含甲烷分子超過80%～90%，故也有人稱天然氣水合物為甲烷水合物。天然氣水合物多呈白色或淺灰色晶體，外貌類似冰雪，可以像酒精塊一樣被點燃，故也有人叫它“可燃冰”。

天然氣水合物具有很高的使用價值，1m3的天然氣水合物等于164 m3的常規天然氣及0.8 m3的淡水。目前可燃冰己經成為國際能源業公認的21世紀繼石油天然氣之后的接替能源，世界上可燃冰的總資源量相當于全球已知煤、石油和天然氣的2倍，可滿足人類 1 000 年的需求，是地球上正待開發的最大化石能源。估計海域儲量為1 610千億噸；凍土地區儲量為5.3千億噸。據推測，我國南海資源量可達700億噸。

1 天然氣水合物生成條件

（1）液態水的存在。液態水的存在是生成水合物的必要條件。

（2）低溫。低溫是形成水合物的重要條件，天然氣的溫度必須等于或低于天然氣中水汽的露點。

（3）高壓。組成相同的氣體，水合物生成溫度隨壓力升高（降低）而升高（降低）。

（4）其他條件。壓力的波動、氣流方向改變及微小水化晶的存在。

2 天然氣水合物開采

目前天然氣水合物的開采方法主要有三種。

（1）熱解法。加溫時“可燃冰”能夠分解，由固態分解出甲烷蒸汽。但分解出的甲烷蒸汽不易收集。海底的多孔介質不是集中為“一片”，也不是一大塊巖石，而是較為均勻地遍布著。如何布設管道并高效收集是急于解決的問題。

（2）降壓法。有科學家提出將核廢料埋入地底，利用核輻射效應使其分解。但它們都面臨著和熱解法同樣布設管道并高效收集的問題。

（3）“置換法”。研究證實，將CO2液化（實現起來很容易），注入1 500米以下的海面，就會生成二氧化碳水合物，它的比重比海水大，便會沉入海底。如果將CO2注射入海底的甲烷水合物儲層，因CO2較之甲烷易于形成水合物，因而就可能將甲烷水合物中的甲烷分子“擠走”，從而將其置換出來。

3 天然氣水合物的儲運

利用相平衡原理，天然氣水合物在常溫、常壓下能分解，因此使天然氣水合物保持穩定要么將NGH儲存在高壓下，要么儲存在低溫下。

天然氣水合物能在常壓和低于0℃（通常為-15℃）的溫度儲存和運輸，氣體逸失不明顯，因而通常將天然氣水合物在常壓和-15℃的溫度下置于絕熱儲罐中進行存儲和運輸。

目前，NCH的運輸方式有三種：（1）生產干水合物，然后裝到與LNG運輸船相似的輪船中運送，到達目的地之后，在船上進行再氣化，分離出來的游離水留在船上用作返航時的壓艙水。（2）將經過兩次脫水后稠度為1∶1的水合物漿泵入雙殼運輸船上的隔熱密封艙進行運送，該艙壓力為1MPa，溫度為2℃～3℃。這種水合物漿再氣化時可以得到約為原體積75倍的天然氣。但由于運輸能力的有效利用率僅為前一種工藝方法的一半左右，因而其運送成本明顯增加。（3）將制成的干水合物與己經冷凍到-10℃的原油充分混合，形成懸浮于原油中的天然氣水合物油漿液，然后在接近于常壓的條件下由泵送入絕熱的油輪隔艙或絕熱性能良好、運距較短的輸油管中，輸送到接收終端后，在三相分離器升溫，分離出原油、天然氣和水。

4 天然氣水合物的分解

天然氣水合物的分解通常應具備的條件是：（1）對特定溫度和組分的氣體，其壓力必須在水合物形成壓力以下；（2）對特定壓力和組分的氣體，其溫度必須提高到水合物形成溫度以上；（3）對特定溫度和壓力的水合物加入電解質或醇類物質，改變水合物的平衡存在條件，從而使氣體從水合物中解析出來。分解天然氣水合物一般采用加熱或降壓的方法，在技術上不存在太大的問題。

5 天然氣水合物儲運技術主要應用方向

水合物在天然氣儲運方面的應用主要包括以下三個方面：

（1）天然氣的長距離運輸——固態天然氣水合物（Dry Hydrate）。天然氣是一種對環境比較友好的清潔能源，但由于處于氣態存在運輸問題。目前天然氣的運輸方式主要有兩種：管道輸送和液化天然氣。在一定條件下把天然氣轉變為水合物進行運輸、儲存具有一定的優越性（見下表）。

（2）收集石油工業中的伴生氣——兩相冰水合物（Hydrate slurry）。對沒有專門收集伴生氣管道的石油部門，可利用水合物收集伴生氣。

（3）天然氣儲存——在需要進行天然氣儲存的地方，把天然氣轉變為水合物儲存在特定的海底或陸地上，在需要時再分解水合物獲得天然氣。

此外，我國存在許多小型、零散的天然氣田，像常規的鋪設天然氣管道在經濟上不可行。這時可利用水合物儲運靈活的特點，把天然氣轉變為水合物進行開采、運輸。

6 結束語

目前，NGH儲運技術的研發仍處于初級階段，該技術能否有廣闊的應用前景，關鍵在于其工藝及經濟可行性。由于NGH技術具有投資少、儲運安全可靠、使用方便的優點，相信它會在不久的將來投入到實用中。我們今后仍需在水合物的快速形成、水合物運輸船制造以及水合物分解利用方面進行深入研究，隨著水合物基礎研究的不斷完善，這種新型水合物儲運方式將會很快引起天然氣運輸業的革命。

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（責任編輯：陳喜輝）