基于天然氣水合物的新型儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)

裴志剛（中國(guó)石油西氣東輸管道公司山西管理處，山西 太原 030001）

21世紀(jì)是一個(gè)能源經(jīng)濟(jì)時(shí)代，社會(huì)發(fā)展進(jìn)步離不開(kāi)對(duì)能源的需求，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)能源需求在質(zhì)量與數(shù)量方面都急劇上升，能源安全問(wèn)題也成為當(dāng)前制約一個(gè)國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)能否健康可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。當(dāng)前在世界能源領(lǐng)域中，天然氣資源是一種具有很高經(jīng)濟(jì)效益的新型能源，其主要存在形態(tài)為水合物，因其不僅具有較高的能源利用率，還具有低碳環(huán)保等優(yōu)異特性，極大的降低了其利用成本，提升了其社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，這也使得其在未來(lái)的能源市場(chǎng)，有著良好廣泛的應(yīng)用前景。然而當(dāng)前在天然氣能源的開(kāi)發(fā)及利用過(guò)程中，也存在一些問(wèn)題，問(wèn)題主要涉及的是天然氣資源的如何高效儲(chǔ)存及運(yùn)輸?shù)龋@些問(wèn)題將直接關(guān)系到天然氣資源能否高效的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，因而加大對(duì)天然氣水合物新型儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的研究，有著重要意義。下文將就天然氣水合物的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)天然氣水合物的新型儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析闡述。

1 天然氣水合物概述

天然氣學(xué)名又稱(chēng)為甲烷，其被發(fā)現(xiàn)與利用已有一定的歷史，然而天然氣水合物，其卻是于上世紀(jì)三十年代，最早由Ham?merschmidt發(fā)現(xiàn)，并由此展開(kāi)對(duì)其的研究，一直延續(xù)至今。天然氣水合物其在化學(xué)構(gòu)成上，主要由碳、氫、氧及硫元素組成，其是由天然氣混合物，其主要包括的分子類(lèi)型有甲烷、硫化氫、二氧化碳及乙烷分子等，和水分子在特點(diǎn)情況中混合而成，其形成條件非常復(fù)雜，必須具備相應(yīng)的壓強(qiáng)和溫度才能形成。從形態(tài)上看，其屬于一種結(jié)晶性的固體，顏色為白色，整體上看起來(lái)非常像高密度的冰雪，因而其俗名又被稱(chēng)之為“可燃冰”。在該包絡(luò)物的成分中，其含量最高的成分為H2O分子，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到80%-90%之間，剩下部分則是可燃性氣體，也即是該包絡(luò)物的主體部分。在標(biāo)況狀態(tài)下，1立方米的可燃冰中，包含高達(dá)160立方米的天然氣，因而水合物形態(tài)的天然氣，擁有非常高效的儲(chǔ)氣率，加之該水合物屬于一種干凈高效的能源，其能源利用率高，對(duì)環(huán)境友好，不會(huì)產(chǎn)生較大的污染，因而該能源具有非常美好的應(yīng)用前景。在儲(chǔ)運(yùn)方式選擇方面，當(dāng)前主要有管道運(yùn)輸形式，以及LNG兩種途徑，然而這兩種方式對(duì)于天然氣需求量大的用戶來(lái)說(shuō)，其經(jīng)濟(jì)效益更好，而對(duì)于使用量較小的用戶來(lái)說(shuō)，其管道建設(shè)的成本非常高，因而此種運(yùn)輸途徑效益不佳，然而通過(guò)以上對(duì)天然氣水合物特點(diǎn)的分析，我們可以從中分析總結(jié)出其高效的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)[1]。

2 天然氣水合物新型儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)

天然氣水合物（NGH）新型儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，其研究方向主要是實(shí)現(xiàn)其固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)，然而該研究當(dāng)前尚處于小規(guī)模試驗(yàn)階段，還沒(méi)有進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用，下文將就天然氣水合物新型儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 NGH生成技術(shù)

在NGH的生成過(guò)程中，其所使用的方法主要有多種，然而其所依據(jù)的生成原理都一致，都是通過(guò)創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)溫度及壓強(qiáng)，在該條件下使天然氣和水分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而獲得天然氣水合物，選用的反應(yīng)物水分子，其需根據(jù)實(shí)際反應(yīng)情況，可選擇水蒸氣，也可選擇液態(tài)水。在生成NGH時(shí)，其反應(yīng)器的選用方面，當(dāng)前主要有噴淋式、鼓泡式反應(yīng)發(fā)生器，另外一種較為重要的是攪拌式反應(yīng)器，前兩者都存在一定的缺陷，要么是孔板直徑太小，制得得NGH會(huì)立即將其孔隙堵塞起來(lái)，從而阻礙反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行；要么是反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量難以得到及時(shí)有效排出，從而抑制反應(yīng)向水合物生成方向進(jìn)行。后者則則成為當(dāng)前制備N(xiāo)GH的主要反應(yīng)器，該反應(yīng)器不存在以上缺陷，且其制備效率也較高。其具體制備過(guò)程如下：首先往反應(yīng)器中注入冷卻水，然后打開(kāi)止回閥，并通入一定量的天然氣，再使用攪拌器，將二者充分?jǐn)嚢杈鶆颍苟叩靡猿浞纸Y(jié)合，從而獲得NHG。在反應(yīng)中產(chǎn)生熱量的處理方面，該反應(yīng)器采用管殼式換熱器及時(shí)將熱量排出，在冷卻水選擇方面，其使用的是乙二醇水溶液，該制備反應(yīng)的反應(yīng)條件是，溫度：-1-19℃；壓強(qiáng)：1.8-6.5MPa[2]。

2.2 NGH儲(chǔ)存條件

要想實(shí)現(xiàn)NGH的穩(wěn)定儲(chǔ)存，避免其出現(xiàn)大量分解情況，就必須為其創(chuàng)造一定的儲(chǔ)存條件，通常來(lái)說(shuō)在常壓條件下，其可穩(wěn)定儲(chǔ)存的溫度有以下幾個(gè)：-19攝氏度、-12攝氏度和-6攝氏度，其其有效儲(chǔ)存時(shí)間可高達(dá)2周。究其原因主要有以下：一是在以上溫度及壓強(qiáng)情況下，NGH會(huì)發(fā)生表層的分解，而分解物之一的水分子，會(huì)在該溫度下在其表面，構(gòu)成一層致密的冰膜，從而阻礙NGH的進(jìn)一步分解；二是NGH的導(dǎo)熱能力較差，其導(dǎo)熱性熱相較于部分隔熱材料還好，因其導(dǎo)熱系數(shù)只有18.7W/（m·℃），因而只要外界不予以加熱處理，或在較高溫度環(huán)境下儲(chǔ)存，其就不會(huì)發(fā)生分解情況。因而影響其穩(wěn)定儲(chǔ)存的因素主要有兩個(gè)，一是溫度，另一個(gè)是壓強(qiáng)，在儲(chǔ)存NGH時(shí)，可采用常壓低溫方式，也能夠在常溫狀況下，增加其儲(chǔ)存壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定保存。通常NGH的儲(chǔ)存工具，一般選擇普通鋼制儲(chǔ)罐[3]。

2.3 NGH運(yùn)輸技術(shù)

NGH的制備工藝手段有多種，因而其在形態(tài)上會(huì)有一定的差異性，在運(yùn)輸技術(shù)的選擇方面，也就存在一定的不同，其主要的運(yùn)輸形式如下：一是干水合物形態(tài)的NGH，其可以采取LNG運(yùn)輸船的方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸。在NGH離船前，對(duì)其進(jìn)行再次氣化處理，將天然氣分離出來(lái)，剩余的水則作為壓艙使用。該運(yùn)輸方式的缺點(diǎn)是，此種形態(tài)的NGH其需要實(shí)施多次脫水處理，其不僅處理過(guò)程復(fù)雜難度較高，其成本花費(fèi)也很高；二是形態(tài)為水合漿的NGH，該形態(tài)的NGH實(shí)施了兩次脫水處理，因而其粘稠度較高，其運(yùn)輸方式是：通過(guò)泵讓其壓入密封艙中，艙中的溫度及壓強(qiáng)條件如下：1.5-4.5攝氏度，1.5MPa壓強(qiáng)。然后再對(duì)其進(jìn)行氣化處理，其可獲得儲(chǔ)存率較高的天然氣。然而該運(yùn)輸方式其缺點(diǎn)是成本高，運(yùn)輸效率差；三是混合形態(tài)的NGH，即使干水合物，溶解于-9攝氏度的原油中，得到其混合漿液，再將其泵入輸油管內(nèi)，到達(dá)畝的地后，借助三相分離器，將天然氣分離出來(lái)。該運(yùn)輸方式能夠獲得大量的天然氣，其運(yùn)輸效率較高，所需成本也較低，因而其是當(dāng)前較為主流的運(yùn)輸手段[4]。

2.4 NGH分解技術(shù)

NGH的分解其主要依據(jù)的就是其制備原理，通過(guò)改變溫度和壓強(qiáng)來(lái)破壞其平衡，從而達(dá)到NGH分解的目的。一方面可以在保持特定溫度下，降低其壓強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其分解；另一方面可以在保持其壓強(qiáng)不變情況下，提升其溫度，實(shí)現(xiàn)其分解。此外，還可以同時(shí)改變其溫度和壓強(qiáng)，或者是加入適宜的電解質(zhì)等物質(zhì)，使其反應(yīng)逆轉(zhuǎn)，從而達(dá)到分解目的。當(dāng)前在NGH的分解技術(shù)選擇方面，主要采用加熱分解法，引起具有較高分解效率。隨著分解技術(shù)的不斷發(fā)展，微波技術(shù)也不斷應(yīng)用到NGH的分解中來(lái)，且具有良好效果。

3 結(jié)語(yǔ)

由以上可以看出，天然氣水合物儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)優(yōu)劣，對(duì)于天然氣的開(kāi)發(fā)利用，有著重要意義。加大對(duì)其新型儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)其在制備、運(yùn)輸及分解等技術(shù)領(lǐng)域的提升，對(duì)于能源領(lǐng)域的發(fā)展，有著深遠(yuǎn)意義。

[1]梁月玖,黃曉麗,顏毅.基于天然氣水合物的新型儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2011,12(05):26-29.

[2]王海秀,王樹(shù)立,周錫堂.基于水合物的天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研究[J].茂名學(xué)院學(xué)報(bào),2013,(03):5-7.

[3]鞏艷,林宇,汝欣欣,袁宗明,陳凱.天然氣水合物儲(chǔ)運(yùn)天然氣技術(shù)[J].天然氣與石油,2010,15(02):4-7.

[4]馬洪亮,孫敬.天然氣水合物儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研究綜述[J].內(nèi)蒙古石油化工,2014,8(13):112-115.