基于天然气水合物的新型储运技术

2015-03-24裴志刚中国石油西气东输管道公司山西管理处山西太原030001

化工管理 2015年12期

裴志刚（中国石油西气东输管道公司山西管理处，山西太原 030001）

21世纪是一个能源经济时代，社会发展进步离不开对能源的需求，随着我国社会经济建设的蓬勃发展，对能源需求在质量与数量方面都急剧上升，能源安全问题也成为当前制约一个国家社会经济能否健康可持续发展的重要因素之一。当前在世界能源领域中，天然气资源是一种具有很高经济效益的新型能源，其主要存在形态为水合物，因其不仅具有较高的能源利用率，还具有低碳环保等优异特性，极大的降低了其利用成本，提升了其社会经济价值，这也使得其在未来的能源市场，有着良好广泛的应用前景。然而当前在天然气能源的开发及利用过程中，也存在一些问题，问题主要涉及的是天然气资源的如何高效储存及运输等，这些问题将直接关系到天然气资源能否高效的开发及应用，因而加大对天然气水合物新型储运技术的研究，有着重要意义。下文将就天然气水合物的特点进行详细分析，并在此基础上对天然气水合物的新型储运技术进行详细分析阐述。

1 天然气水合物概述

天然气学名又称为甲烷，其被发现与利用已有一定的历史，然而天然气水合物，其却是于上世纪三十年代，最早由Ham⁃merschmidt发现，并由此展开对其的研究，一直延续至今。天然气水合物其在化学构成上，主要由碳、氢、氧及硫元素组成，其是由天然气混合物，其主要包括的分子类型有甲烷、硫化氢、二氧化碳及乙烷分子等，和水分子在特点情况中混合而成，其形成条件非常复杂，必须具备相应的压强和温度才能形成。从形态上看，其属于一种结晶性的固体，颜色为白色，整体上看起来非常像高密度的冰雪，因而其俗名又被称之为“可燃冰”。在该包络物的成分中，其含量最高的成分为H2O分子，其质量分数达到80%-90%之间，剩下部分则是可燃性气体，也即是该包络物的主体部分。在标况状态下，1立方米的可燃冰中，包含高达160立方米的天然气，因而水合物形态的天然气，拥有非常高效的储气率，加之该水合物属于一种干净高效的能源，其能源利用率高，对环境友好，不会产生较大的污染，因而该能源具有非常美好的应用前景。在储运方式选择方面，当前主要有管道运输形式，以及LNG两种途径，然而这两种方式对于天然气需求量大的用户来说，其经济效益更好，而对于使用量较小的用户来说，其管道建设的成本非常高，因而此种运输途径效益不佳，然而通过以上对天然气水合物特点的分析，我们可以从中分析总结出其高效的储运技术[1]。

2 天然气水合物新型储运技术

天然气水合物（NGH）新型储运技术，其研究方向主要是实现其固态储运，然而该研究当前尚处于小规模试验阶段，还没有进行大规模的工业化应用，下文将就天然气水合物新型储运技术的几个方面进行详细阐述。

2.1 NGH生成技术

在NGH的生成过程中，其所使用的方法主要有多种，然而其所依据的生成原理都一致，都是通过创设相应的实验温度及压强，在该条件下使天然气和水分子发生化学反应，从而获得天然气水合物，选用的反应物水分子，其需根据实际反应情况，可选择水蒸气，也可选择液态水。在生成NGH时，其反应器的选用方面，当前主要有喷淋式、鼓泡式反应发生器，另外一种较为重要的是搅拌式反应器，前两者都存在一定的缺陷，要么是孔板直径太小，制得得NGH会立即将其孔隙堵塞起来，从而阻碍反应的进一步进行；要么是反应过程中产生的大量热量难以得到及时有效排出，从而抑制反应向水合物生成方向进行。后者则则成为当前制备NGH的主要反应器，该反应器不存在以上缺陷，且其制备效率也较高。其具体制备过程如下：首先往反应器中注入冷却水，然后打开止回阀，并通入一定量的天然气，再使用搅拌器，将二者充分搅拌均匀，使二者得以充分结合，从而获得NHG。在反应中产生热量的处理方面，该反应器采用管壳式换热器及时将热量排出，在冷却水选择方面，其使用的是乙二醇水溶液，该制备反应的反应条件是，温度：-1-19℃；压强：1.8-6.5MPa[2]。

2.2 NGH储存条件

要想实现NGH的稳定储存，避免其出现大量分解情况，就必须为其创造一定的储存条件，通常来说在常压条件下，其可稳定储存的温度有以下几个：-19摄氏度、-12摄氏度和-6摄氏度，其其有效储存时间可高达2周。究其原因主要有以下：一是在以上温度及压强情况下，NGH会发生表层的分解，而分解物之一的水分子，会在该温度下在其表面，构成一层致密的冰膜，从而阻碍NGH的进一步分解；二是NGH的导热能力较差，其导热性热相较于部分隔热材料还好，因其导热系数只有18.7W/（m·℃），因而只要外界不予以加热处理，或在较高温度环境下储存，其就不会发生分解情况。因而影响其稳定储存的因素主要有两个，一是温度，另一个是压强，在储存NGH时，可采用常压低温方式，也能够在常温状况下，增加其储存压力来实现其稳定保存。通常NGH的储存工具，一般选择普通钢制储罐[3]。

2.3 NGH运输技术

NGH的制备工艺手段有多种，因而其在形态上会有一定的差异性，在运输技术的选择方面，也就存在一定的不同，其主要的运输形式如下：一是干水合物形态的NGH，其可以采取LNG运输船的方式实现运输。在NGH离船前，对其进行再次气化处理，将天然气分离出来，剩余的水则作为压舱使用。该运输方式的缺点是，此种形态的NGH其需要实施多次脱水处理，其不仅处理过程复杂难度较高，其成本花费也很高；二是形态为水合浆的NGH，该形态的NGH实施了两次脱水处理，因而其粘稠度较高，其运输方式是：通过泵让其压入密封舱中，舱中的温度及压强条件如下：1.5-4.5摄氏度，1.5MPa压强。然后再对其进行气化处理，其可获得储存率较高的天然气。然而该运输方式其缺点是成本高，运输效率差；三是混合形态的NGH，即使干水合物，溶解于-9摄氏度的原油中，得到其混合浆液，再将其泵入输油管内，到达亩的地后，借助三相分离器，将天然气分离出来。该运输方式能够获得大量的天然气，其运输效率较高，所需成本也较低，因而其是当前较为主流的运输手段[4]。

2.4 NGH分解技术

NGH的分解其主要依据的就是其制备原理，通过改变温度和压强来破坏其平衡，从而达到NGH分解的目的。一方面可以在保持特定温度下，降低其压强来实现其分解；另一方面可以在保持其压强不变情况下，提升其温度，实现其分解。此外，还可以同时改变其温度和压强，或者是加入适宜的电解质等物质，使其反应逆转，从而达到分解目的。当前在NGH的分解技术选择方面，主要采用加热分解法，引起具有较高分解效率。随着分解技术的不断发展，微波技术也不断应用到NGH的分解中来，且具有良好效果。