天然气水合物储运技术

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　　摘要：天然气水合物是资源量丰富的高效清洁能源，具有潜在的能源战略储备意义和可观的经济效益。随着我国海域天然气水合物的试采成功，天然气水合物的研究引起了广泛关注。天然气水合物储运技术因其成本低、简单灵活、安全可靠等优势备受瞩目。本文概括了天然气水合物的特性及储存条件，介绍了目前天然气水合物的主要运输方式，并指出了天然气水合物储运技术进一步发展需要解决的技术难题。
　　关键词：天然气水合物；储存；运输；技术
　　前言
　　天然气水合物是资源量丰富的高效清洁能源，是未来全球能源发展的战略制高点。2017年5月18日，由国土资源部中国地质调查局组织实施的我国海域天然气水合物试采在南海神狐海域实现连续8天稳定产气，试采取得圆满成功，实现了我国天然气水合物开发的历史性突破，为天然气水合物商业性开发利用提供了技术储备，积累了宝贵经验。
　　1 天然气水合物概述
　　天然气水合物（Natural gas hydrate，NGH）是一种由水分子在氢键作用下形成的笼形结构。天然气分子（主要为甲烷分子）充填其间，构成一种笼形化合物，它主要赋存于海底和极地永冻土中，因其外形呈冰雪状，遇火即燃，俗称“可燃冰”。目前已发现的水合物结构有4种：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）。据理论计算，1m3的饱和NGH在标准条件下可释放出164 m3的甲烷气体，其能量密度（标准状态下单位体积沉积物中的甲烷量）是其它非传统能源的10倍，是常规天然气能量密度的2-5倍。NGH可以在2MPa-6MPa、0℃-20℃条件下制备，常压、-15℃以下稳定储存。
　　2 天然气水合物储运技术
　　目前，世界范围内天然气的储运方式最常用的主要有三种：PNG（通过压力管道以气态输送）、LNG（利用低温技术将天然气液化，以液态形式输送）和CNG（利用高压容器储存和输送）。除此之外，还有ANG（利用多孔介质的吸附作用储存和输送）、GTL（天然气合成油）、GTW（以电能的形式输出天然气能源）、NGH（天然气水合物）等多种储运与输送的方式。挪威科学家把LNG和NGH两种技术做了比较，发现NGH的经济性要比LNG好，可节约20%-30%的成本。因此，NGH可代替LNG技术作为天然气远洋运输的主要手段。与其他储运方式相比，NGH储运技术以其成本低、简单灵活、安全可靠等优点，备受人们的瞩目。
　　从经济性考虑，也可以根据输送距离的长短选择合适的输送方式：PNG适合于短距离输送（<1000 km），NGH适合于中长距离输送（1000-12000km），LNG适合于长距离输送（< 6000 km），CNG则适合于更长距离的输送（>12000 km）。
　　2.1 NGH的储存条件
　　天然气水合物藏是由气体和水通过渗流运移、聚集，从而在适宜的温度、压力和储集环境下化合成的。自然界中形成的NGH需满足：低温（一般低于10℃）、高压（一般高于10 MPa）、具备天然气来源和有利的储集空间四个基本条件。自然生成的水合物由于地质条件、生成组分的差别而呈现出红、橙、灰、蓝、白色，且堆积成硬块，而人工合成的水合物则颜色较白，似雪泥。
　　要实现NGH的稳定储存，避免其出现大量的分解情况，就必须为其创造一定的储存条件。Gudmundsson发现，在温度为（0-20）℃、压力为（2-6）MPa下，在搅拌容器中形成的NGH，可被冷冻和储存在-5℃，-10℃，-18℃的冷库中长达10天。且当温度为-l8℃时，这10天内NGH的气体释放量仅为其中所包含气体量的0.85%。他认为这可能是由于当NGH储存温度在水的冰点以下时，NGH的表层发生分解后形成了一层致密的冰膜，从而阻止了水合物的进一步分解。
　　NGH的导热率为18.7W/（m·K），比一般的保温材料（约27.7W/（m·K））还低，因而其储存容器不需要特别的保温措施。只要不在较高得温度环境下储存、或外界不予以加热处理，NGH就不会发生分解现象。因此，在储存NGH时，可在常压、-15℃以上的环境下稳定存储，也能够在常温下、通过增加其储存压力来实现其稳定保存。通常NGH的储存不需要复杂的设备，只需一级冷却装置，可用普通钢材制造。
　　2.2 NGH的运输技术
　　目前，已有报道的NGH运输技术主要有以下四种：
　　第一种是英国气体公司研发出的一种工艺方法：首先生产干水合物，然后装到与LNG运输船相似的轮船中运送。到达目的地之后，在轮船上进行再气化，分离出来的游离水留在船上用作返航时的压舱水。但是制作干水合物需要进行三次脱水，生产成本较高。同时，干水合物的装船作业也存在一定的难度。
　　第二种方法是将经过两次脱水后稠度为1：1的水合物浆体用泵送入双壳运输船上的隔热闭封舱中进行输送，该舱的压力为1 MPa，温度为2℃-3℃。这种水合物浆体再气化时可以得到约为原体积75倍的天然气。但由于运输能力的有效利用率仅为第一种工艺方法的一半左右，因而其运送成本明显增加。
　　第三种方法是挪威的阿克尔工程公司研究出的一种NGH运输工艺。该方法是将制成的干水合物与已经冷冻到-10℃的原油进行充分混合，形成悬浮于原油中的天然气水合物/油浆液。在接近于常压的条件下采用绝热的油轮隔热闭封舱或绝热性能良好、运输距离较短的输油管道输送到接收终端后，再在三相分离器内分离为原油、天然气和水。
　　第四种方法是日本的MES公司提出了天然气水合物丸粒化储运模式，该方法与第一种方法有些类似，但是多了一道将NGH丸粒化的工序，降低了作业难度。具体方法是将天然气通过管道输送到天然气水合物处理加工厂（简称PDP），将天然气转化为NGH，然后将NGH丸粒化，并临时存放到储存箱中，再装载到NGH船上，运输至消费地点后卸载。卸载后的NGH丸粒仍然暂时存放在储存箱中，经分解站分解后，将气体输送给用户，分解后产生的水则保留在储存箱中运回装载地点作为PDP的原料。除第四种方法外，以上几种方法基本上都具有工艺要求不高和操作简便的特点。但是，最佳的NGH储存运输方式还需要结合其稳定性和经济性作进一步的研究和分析。
　　此外，抛开NGH的加工环节，单就其成品运输而言，张萌等[13]报道了一种车载天然气水合物储运装置。该装置类似于一个低温冷藏车，为了储运天然气水合物，进行了特殊的结构设计：例如对装置内部进行简单合理的分隔，以各个单元的方式进行储运；为方便操作，将储运单元设计成一个提篮，并在开口的一方加装有两个把手；在车厢内加装温度传感器等，为陆路运输的方式储运天然气水合物提供了重要的研究参考。
　　3. NGH储运技术的发展方向
　　随着海域天然气水合物的首次试采成功，我国已建立起天然气水合物资源勘探技术体系，实现了勘查开发理论、技术、工程和装备的自主创新。但是，目前NGH储运技术仍处于试验阶段，面临着一些技术难题。在NGH储存方面，如何选择和确定水合物的储气条件，优化储气量与能耗的关系，提高水合物储气经济性是NGH储存技术研究的关键；NGH集装和运输过程中的安全问题也需要进一步的研究解决。因此，应加强对NGH储运技术的基础研究，不断完善该技术领域，进一步降低成本、提高经济效益，為NGH储运技术在我国储运工业中的广泛应用作好技术储备。
　　参考文献
　　[1] 胡高伟.天然气水合物勘探-开发-储运-环境响应研究 [J].地质科技情报，2006，25（4）：33-41.
　　（作者单位：中石化天然气分公司计量研究中心）
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