天然氣水合物儲運技術(shù)

鄭岳

摘要：天然氣水合物是資源量豐富的高效清潔能源，具有潛在的能源戰(zhàn)略儲備意義和可觀的經(jīng)濟效益。隨著我國海域天然氣水合物的試采成功，天然氣水合物的研究引起了廣泛關(guān)注。天然氣水合物儲運技術(shù)因其成本低、簡單靈活、安全可靠等優(yōu)勢備受矚目。本文概括了天然氣水合物的特性及儲存條件，介紹了目前天然氣水合物的主要運輸方式，并指出了天然氣水合物儲運技術(shù)進一步發(fā)展需要解決的技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物；儲存；運輸；技術(shù)

前言

天然氣水合物是資源量豐富的高效清潔能源，是未來全球能源發(fā)展的戰(zhàn)略制高點。2017年5月18日，由國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局組織實施的我國海域天然氣水合物試采在南海神狐海域?qū)崿F(xiàn)連續(xù)8天穩(wěn)定產(chǎn)氣，試采取得圓滿成功，實現(xiàn)了我國天然氣水合物開發(fā)的歷史性突破，為天然氣水合物商業(yè)性開發(fā)利用提供了技術(shù)儲備，積累了寶貴經(jīng)驗。

1 天然氣水合物概述

天然氣水合物（Natural gas hydrate，NGH）是一種由水分子在氫鍵作用下形成的籠形結(jié)構(gòu)。天然氣分子（主要為甲烷分子）充填其間，構(gòu)成一種籠形化合物，它主要賦存于海底和極地永凍土中，因其外形呈冰雪狀，遇火即燃，俗稱“可燃冰”。目前已發(fā)現(xiàn)的水合物結(jié)構(gòu)有4種：即I型（Claussen等人，1952年）、II型（Claussen等人，1951年）、H型（Ripmeester等人，1987年）、T型（Koh，2002年）。據(jù)理論計算，1m3的飽和NGH在標準條件下可釋放出164 m3的甲烷氣體，其能量密度（標準狀態(tài)下單位體積沉積物中的甲烷量）是其它非傳統(tǒng)能源的10倍，是常規(guī)天然氣能量密度的2-5倍。NGH可以在2MPa-6MPa、0℃-20℃條件下制備，常壓、-15℃以下穩(wěn)定儲存。

2 天然氣水合物儲運技術(shù)

目前，世界范圍內(nèi)天然氣的儲運方式最常用的主要有三種：PNG（通過壓力管道以氣態(tài)輸送）、LNG（利用低溫技術(shù)將天然氣液化，以液態(tài)形式輸送）和CNG（利用高壓容器儲存和輸送）。除此之外，還有ANG（利用多孔介質(zhì)的吸附作用儲存和輸送）、GTL（天然氣合成油）、GTW（以電能的形式輸出天然氣能源）、NGH（天然氣水合物）等多種儲運與輸送的方式。挪威科學(xué)家把LNG和NGH兩種技術(shù)做了比較，發(fā)現(xiàn)NGH的經(jīng)濟性要比LNG好，可節(jié)約20%-30%的成本。因此，NGH可代替LNG技術(shù)作為天然氣遠洋運輸?shù)闹饕侄巍Ｅc其他儲運方式相比，NGH儲運技術(shù)以其成本低、簡單靈活、安全可靠等優(yōu)點，備受人們的矚目。

從經(jīng)濟性考慮，也可以根據(jù)輸送距離的長短選擇合適的輸送方式：PNG適合于短距離輸送（<1000 km），NGH適合于中長距離輸送（1000-12000km），LNG適合于長距離輸送（< 6000 km），CNG則適合于更長距離的輸送（>12000 km）。

2.1 NGH的儲存條件

天然氣水合物藏是由氣體和水通過滲流運移、聚集，從而在適宜的溫度、壓力和儲集環(huán)境下化合成的。自然界中形成的NGH需滿足：低溫（一般低于10℃）、高壓（一般高于10 MPa）、具備天然氣來源和有利的儲集空間四個基本條件。自然生成的水合物由于地質(zhì)條件、生成組分的差別而呈現(xiàn)出紅、橙、灰、藍、白色，且堆積成硬塊，而人工合成的水合物則顏色較白，似雪泥。

要實現(xiàn)NGH的穩(wěn)定儲存，避免其出現(xiàn)大量的分解情況，就必須為其創(chuàng)造一定的儲存條件。Gudmundsson發(fā)現(xiàn)，在溫度為（0-20）℃、壓力為（2-6）MPa下，在攪拌容器中形成的NGH，可被冷凍和儲存在-5℃，-10℃，-18℃的冷庫中長達10天。且當(dāng)溫度為-l8℃時，這10天內(nèi)NGH的氣體釋放量僅為其中所包含氣體量的0.85%。他認為這可能是由于當(dāng)NGH儲存溫度在水的冰點以下時，NGH的表層發(fā)生分解后形成了一層致密的冰膜，從而阻止了水合物的進一步分解。

NGH的導(dǎo)熱率為18.7W/（m·K），比一般的保溫材料（約27.7W/（m·K））還低，因而其儲存容器不需要特別的保溫措施。只要不在較高得溫度環(huán)境下儲存、或外界不予以加熱處理，NGH就不會發(fā)生分解現(xiàn)象。因此，在儲存NGH時，可在常壓、-15℃以上的環(huán)境下穩(wěn)定存儲，也能夠在常溫下、通過增加其儲存壓力來實現(xiàn)其穩(wěn)定保存。通常NGH的儲存不需要復(fù)雜的設(shè)備，只需一級冷卻裝置，可用普通鋼材制造。

2.2 NGH的運輸技術(shù)

目前，已有報道的NGH運輸技術(shù)主要有以下四種：

第一種是英國氣體公司研發(fā)出的一種工藝方法：首先生產(chǎn)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，在輪船上進行再氣化，分離出來的游離水留在船上用作返航時的壓艙水。但是制作干水合物需要進行三次脫水，生產(chǎn)成本較高。同時，干水合物的裝船作業(yè)也存在一定的難度。

第二種方法是將經(jīng)過兩次脫水后稠度為1：1的水合物漿體用泵送入雙殼運輸船上的隔熱閉封艙中進行輸送，該艙的壓力為1 MPa，溫度為2℃-3℃。這種水合物漿體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第一種工藝方法的一半左右，因而其運送成本明顯增加。

第三種方法是挪威的阿克爾工程公司研究出的一種NGH運輸工藝。該方法是將制成的干水合物與已經(jīng)冷凍到-10℃的原油進行充分混合，形成懸浮于原油中的天然氣水合物/油漿液。在接近于常壓的條件下采用絕熱的油輪隔熱閉封艙或絕熱性能良好、運輸距離較短的輸油管道輸送到接收終端后，再在三相分離器內(nèi)分離為原油、天然氣和水。

第四種方法是日本的MES公司提出了天然氣水合物丸粒化儲運模式，該方法與第一種方法有些類似，但是多了一道將NGH丸粒化的工序，降低了作業(yè)難度。具體方法是將天然氣通過管道輸送到天然氣水合物處理加工廠（簡稱PDP），將天然氣轉(zhuǎn)化為NGH，然后將NGH丸粒化，并臨時存放到儲存箱中，再裝載到NGH船上，運輸至消費地點后卸載。卸載后的NGH丸粒仍然暫時存放在儲存箱中，經(jīng)分解站分解后，將氣體輸送給用戶，分解后產(chǎn)生的水則保留在儲存箱中運回裝載地點作為PDP的原料。除第四種方法外，以上幾種方法基本上都具有工藝要求不高和操作簡便的特點。但是，最佳的NGH儲存運輸方式還需要結(jié)合其穩(wěn)定性和經(jīng)濟性作進一步的研究和分析。

此外，拋開NGH的加工環(huán)節(jié)，單就其成品運輸而言，張萌等[13]報道了一種車載天然氣水合物儲運裝置。該裝置類似于一個低溫冷藏車，為了儲運天然氣水合物，進行了特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計：例如對裝置內(nèi)部進行簡單合理的分隔，以各個單元的方式進行儲運；為方便操作，將儲運單元設(shè)計成一個提籃，并在開口的一方加裝有兩個把手；在車廂內(nèi)加裝溫度傳感器等，為陸路運輸?shù)姆绞絻\天然氣水合物提供了重要的研究參考。

3. NGH儲運技術(shù)的發(fā)展方向

隨著海域天然氣水合物的首次試采成功，我國已建立起天然氣水合物資源勘探技術(shù)體系，實現(xiàn)了勘查開發(fā)理論、技術(shù)、工程和裝備的自主創(chuàng)新。但是，目前NGH儲運技術(shù)仍處于試驗階段，面臨著一些技術(shù)難題。在NGH儲存方面，如何選擇和確定水合物的儲氣條件，優(yōu)化儲氣量與能耗的關(guān)系，提高水合物儲氣經(jīng)濟性是NGH儲存技術(shù)研究的關(guān)鍵；NGH集裝和運輸過程中的安全問題也需要進一步的研究解決。因此，應(yīng)加強對NGH儲運技術(shù)的基礎(chǔ)研究，不斷完善該技術(shù)領(lǐng)域，進一步降低成本、提高經(jīng)濟效益，為NGH儲運技術(shù)在我國儲運工業(yè)中的廣泛應(yīng)用作好技術(shù)儲備。

參考文獻

[1] 胡高偉.天然氣水合物勘探-開發(fā)-儲運-環(huán)境響應(yīng)研究 [J].地質(zhì)科技情報，2006，25（4）：33-41.

（作者單位：中石化天然氣分公司計量研究中心）