基于天然氣水合物的新型儲運技術

裴志剛（中國石油西氣東輸管道公司山西管理處，山西 太原 030001）

21世紀是一個能源經濟時代，社會發展進步離不開對能源的需求，隨著我國社會經濟建設的蓬勃發展，對能源需求在質量與數量方面都急劇上升，能源安全問題也成為當前制約一個國家社會經濟能否健康可持續發展的重要因素之一。當前在世界能源領域中，天然氣資源是一種具有很高經濟效益的新型能源，其主要存在形態為水合物，因其不僅具有較高的能源利用率，還具有低碳環保等優異特性，極大的降低了其利用成本，提升了其社會經濟價值，這也使得其在未來的能源市場，有著良好廣泛的應用前景。然而當前在天然氣能源的開發及利用過程中，也存在一些問題，問題主要涉及的是天然氣資源的如何高效儲存及運輸等，這些問題將直接關系到天然氣資源能否高效的開發及應用，因而加大對天然氣水合物新型儲運技術的研究，有著重要意義。下文將就天然氣水合物的特點進行詳細分析，并在此基礎上對天然氣水合物的新型儲運技術進行詳細分析闡述。

1 天然氣水合物概述

天然氣學名又稱為甲烷，其被發現與利用已有一定的歷史，然而天然氣水合物，其卻是于上世紀三十年代，最早由Ham?merschmidt發現，并由此展開對其的研究，一直延續至今。天然氣水合物其在化學構成上，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型有甲烷、硫化氫、二氧化碳及乙烷分子等，和水分子在特點情況中混合而成，其形成條件非常復雜，必須具備相應的壓強和溫度才能形成。從形態上看，其屬于一種結晶性的固體，顏色為白色，整體上看起來非常像高密度的冰雪，因而其俗名又被稱之為“可燃冰”。在該包絡物的成分中，其含量最高的成分為H2O分子，其質量分數達到80%-90%之間，剩下部分則是可燃性氣體，也即是該包絡物的主體部分。在標況狀態下，1立方米的可燃冰中，包含高達160立方米的天然氣，因而水合物形態的天然氣，擁有非常高效的儲氣率，加之該水合物屬于一種干凈高效的能源，其能源利用率高，對環境友好，不會產生較大的污染，因而該能源具有非常美好的應用前景。在儲運方式選擇方面，當前主要有管道運輸形式，以及LNG兩種途徑，然而這兩種方式對于天然氣需求量大的用戶來說，其經濟效益更好，而對于使用量較小的用戶來說，其管道建設的成本非常高，因而此種運輸途徑效益不佳，然而通過以上對天然氣水合物特點的分析，我們可以從中分析總結出其高效的儲運技術[1]。

2 天然氣水合物新型儲運技術

天然氣水合物（NGH）新型儲運技術，其研究方向主要是實現其固態儲運，然而該研究當前尚處于小規模試驗階段，還沒有進行大規模的工業化應用，下文將就天然氣水合物新型儲運技術的幾個方面進行詳細闡述。

2.1 NGH生成技術

在NGH的生成過程中，其所使用的方法主要有多種，然而其所依據的生成原理都一致，都是通過創設相應的實驗溫度及壓強，在該條件下使天然氣和水分子發生化學反應，從而獲得天然氣水合物，選用的反應物水分子，其需根據實際反應情況，可選擇水蒸氣，也可選擇液態水。在生成NGH時，其反應器的選用方面，當前主要有噴淋式、鼓泡式反應發生器，另外一種較為重要的是攪拌式反應器，前兩者都存在一定的缺陷，要么是孔板直徑太小，制得得NGH會立即將其孔隙堵塞起來，從而阻礙反應的進一步進行；要么是反應過程中產生的大量熱量難以得到及時有效排出，從而抑制反應向水合物生成方向進行。后者則則成為當前制備NGH的主要反應器，該反應器不存在以上缺陷，且其制備效率也較高。其具體制備過程如下：首先往反應器中注入冷卻水，然后打開止回閥，并通入一定量的天然氣，再使用攪拌器，將二者充分攪拌均勻，使二者得以充分結合，從而獲得NHG。在反應中產生熱量的處理方面，該反應器采用管殼式換熱器及時將熱量排出，在冷卻水選擇方面，其使用的是乙二醇水溶液，該制備反應的反應條件是，溫度：-1-19℃；壓強：1.8-6.5MPa[2]。

2.2 NGH儲存條件

要想實現NGH的穩定儲存，避免其出現大量分解情況，就必須為其創造一定的儲存條件，通常來說在常壓條件下，其可穩定儲存的溫度有以下幾個：-19攝氏度、-12攝氏度和-6攝氏度，其其有效儲存時間可高達2周。究其原因主要有以下：一是在以上溫度及壓強情況下，NGH會發生表層的分解，而分解物之一的水分子，會在該溫度下在其表面，構成一層致密的冰膜，從而阻礙NGH的進一步分解；二是NGH的導熱能力較差，其導熱性熱相較于部分隔熱材料還好，因其導熱系數只有18.7W/（m·℃），因而只要外界不予以加熱處理，或在較高溫度環境下儲存，其就不會發生分解情況。因而影響其穩定儲存的因素主要有兩個，一是溫度，另一個是壓強，在儲存NGH時，可采用常壓低溫方式，也能夠在常溫狀況下，增加其儲存壓力來實現其穩定保存。通常NGH的儲存工具，一般選擇普通鋼制儲罐[3]。

2.3 NGH運輸技術

NGH的制備工藝手段有多種，因而其在形態上會有一定的差異性，在運輸技術的選擇方面，也就存在一定的不同，其主要的運輸形式如下：一是干水合物形態的NGH，其可以采取LNG運輸船的方式實現運輸。在NGH離船前，對其進行再次氣化處理，將天然氣分離出來，剩余的水則作為壓艙使用。該運輸方式的缺點是，此種形態的NGH其需要實施多次脫水處理，其不僅處理過程復雜難度較高，其成本花費也很高；二是形態為水合漿的NGH，該形態的NGH實施了兩次脫水處理，因而其粘稠度較高，其運輸方式是：通過泵讓其壓入密封艙中，艙中的溫度及壓強條件如下：1.5-4.5攝氏度，1.5MPa壓強。然后再對其進行氣化處理，其可獲得儲存率較高的天然氣。然而該運輸方式其缺點是成本高，運輸效率差；三是混合形態的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，到達畝的地后，借助三相分離器，將天然氣分離出來。該運輸方式能夠獲得大量的天然氣，其運輸效率較高，所需成本也較低，因而其是當前較為主流的運輸手段[4]。

2.4 NGH分解技術

NGH的分解其主要依據的就是其制備原理，通過改變溫度和壓強來破壞其平衡，從而達到NGH分解的目的。一方面可以在保持特定溫度下，降低其壓強來實現其分解；另一方面可以在保持其壓強不變情況下，提升其溫度，實現其分解。此外，還可以同時改變其溫度和壓強，或者是加入適宜的電解質等物質，使其反應逆轉，從而達到分解目的。當前在NGH的分解技術選擇方面，主要采用加熱分解法，引起具有較高分解效率。隨著分解技術的不斷發展，微波技術也不斷應用到NGH的分解中來，且具有良好效果。

3 結語

由以上可以看出，天然氣水合物儲運技術優劣，對于天然氣的開發利用，有著重要意義。加大對其新型儲運技術的研究，實現其在制備、運輸及分解等技術領域的提升，對于能源領域的發展，有著深遠意義。

[1]梁月玖,黃曉麗,顏毅.基于天然氣水合物的新型儲運技術[J].石油規劃設計,2011,12(05):26-29.

[2]王海秀,王樹立,周錫堂.基于水合物的天然氣儲運技術研究[J].茂名學院學報,2013,(03):5-7.

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

[4]馬洪亮,孫敬.天然氣水合物儲運技術研究綜述[J].內蒙古石油化工,2014,8(13):112-115.