儲(chǔ)運(yùn)天然氣技術(shù)與發(fā)展

1、氣體水合物一儲(chǔ)運(yùn)自然 氣技術(shù)與進(jìn)展自然 氣中的主要成分為甲烷，在常壓下其沸點(diǎn)為-162C,不易液化。目前實(shí)際應(yīng)用的自然 氣儲(chǔ)運(yùn)方式有：采用低溫技術(shù)將 自然 氣液化（LNG）,以液體的形式進(jìn)行儲(chǔ)存、運(yùn)輸；通過管道采納高壓方法運(yùn)輸自然 氣；采用多孔介質(zhì)的吸附作用儲(chǔ)存 自然 氣等。目前，絕大局部自然 氣（約占自然 氣總量的75%）采納管道輸送，但其初投資大，且越洋運(yùn)輸不易實(shí)現(xiàn)。而 LNG由于要采納低溫液化，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高。采用氣體水合物高儲(chǔ)量的特點(diǎn)儲(chǔ)存自然 氣.可降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)；同時(shí)自然 氣水合物 （NGH）的儲(chǔ)存較壓縮自然 氣、液化自然 氣壓力低，增加了系統(tǒng)的平安性和牢靠性.在經(jīng)濟(jì)性方面具有肯定的優(yōu)勢(shì)。自

2、然 氣是重要的化工原料和清潔能源，人類的需求量不斷增大。在能源結(jié)構(gòu)中，我們國(guó)家自然 氣約占能源總量的2%, 而國(guó)外的比例達(dá)20%。為保護(hù)環(huán)境，將來自然 氣的耗量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，有必要在我們國(guó)家 加大開采和采用自然氣的力度。我們國(guó)家自然 氣可開采量約為L(zhǎng) 05x10的13次方m3,但分布特別不均衡，需進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送。目前進(jìn)行的西部大開 發(fā)就有把西部地區(qū)的自然 氣輸送到東部地區(qū)的方案。由于自然 氣（甲烷）密度小，不易液化，不易儲(chǔ)存和運(yùn)輸，對(duì)于大量 的中小城鎮(zhèn)和小規(guī)模用戶，鋪設(shè)輸氣管線在經(jīng)濟(jì)上不行行，可能會(huì)制約自然 氣的推廣應(yīng)用。此外，我們國(guó)家有很多零散氣田， 產(chǎn)量不大，假如自然 氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)不能進(jìn)一步提

3、高經(jīng)濟(jì)性，大量的這類氣田將無法得到有效開采與采用。討論平安、高效的自 然 氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)對(duì)我們國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì) 1氣體水合物氣體水合物是由一種或幾種氣體的混合物（如CH4、C2H6、CO2、N2等）在肯定的溫度、壓力條出I水合物的船體拮物出I水合物的船體拮物n六紂府 n六依目 n穴平均件下和水作用生成的一類籠形結(jié)構(gòu)的冰狀晶體（Clathrate Hydrate）,為非化學(xué)計(jì)量型固態(tài)化合物。自然 氣水合物中氣體的主 要成分是甲烷。在氣體水合物中，水分子（主體）通過氫鍵作用形成一種點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)，氣體分子（客體）那么填充于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu) 間的空穴中，主、客體分子之間通過范德華力相互作用，水合物的結(jié)構(gòu)類型主要取決于

4、氣體分子填充晶穴的大小。到目前為止.已 經(jīng)覺察的氣體水合物結(jié)構(gòu)有I型、II型和H型三種（圖1、表1。I型結(jié)構(gòu)山自然 氣小分子（如CH4、C2H6）與水在肯定條 件下形成，H型結(jié)構(gòu)由所含分子大于乙烷小于戊烷的較大分子形成，H型水合物是在大分子（分子直徑0.75-0. 90mn）的關(guān) 心下和小分子與水作用形成的水合物。A穴靈小n穴大八穴小公穴大叁穴小A穴中A穴大AK3.91 4.73 3.91 4.0$ 5.7!3.91 4.73 3.91 4.0$ 5.7! TOC o 1-5 h z 尸51?6:263.914.MMQA18 461362水分子H 晶體0府立方力立方!H六。體2氣體水合物儲(chǔ)運(yùn)技

5、術(shù)1934年在石油自然 氣輸送管道中覺察了氣體水合物的堵塞問題，在其后的幾十年里氣體水合物的討論重點(diǎn)是水合物的生 成條件和抑制水合物形成的方法，以解決油、氣生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中管道、設(shè)施的堵塞問題。隨著自然氣水合物探明儲(chǔ)量的不斷增加，人們對(duì)水合物討論的不斷深人，自然氣水合物的開采與儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)越 來越為人們所重視。自然 氣水合物的高密度儲(chǔ)存特性，是其作為自然 氣的儲(chǔ)運(yùn)替代方法的優(yōu)勢(shì)之一。2.1水合物的形成自然 氣中的主要成分是甲烷，但甲烷的相平衡壓力高、溫度低，水合物不簡(jiǎn)單形成。Katz（1945）覺察在自然 氣中混入 肯定量的較重組分的碳?xì)浠衔铮ㄈ缫彝?、丙烷等）可改善水合物的相平衡條件（如壓力降低

6、、溫度上升）。有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果說明 加入適量的乙烷或丙烷可降低水合物的相平衡壓力（圖2）。挪威科技高校的Gudmundsson等人認(rèn)為在020,壓力在2- 6MPa范圍內(nèi)，反響釜中的溫度比相平衡溫度低4左右時(shí)，通過攪拌可生成水合物（圖3）。為提高水合物的生產(chǎn)效率，可通過加入晶種、化學(xué)促進(jìn)劑和促進(jìn)氣體溶解等手段削減水合物的形成時(shí)間。a/K圖2水合物相平街IB甲優(yōu)3甲烷390.4% 甲0 +9 6G乙a； B97.4X Ttt97.8% 甲諼2.2a 乙Ct88.3%平燒ds-R出圖3 Gudmundsson等人水合物生產(chǎn)流程圖；2oO 2iST90 fl/K 2.67再燒:2. 2水合物的儲(chǔ)存常壓下

7、儲(chǔ)存水合物，在理論上其溫度必需低于相平衡溫度，一般在一 30c以下。這就要求米納專 門的冷凍設(shè)施，而非一般工業(yè)制冷設(shè)施。但水合物分解必需要汲取熱量，可通過隔熱保溫的方法使水 合物得不到所需要的分解熱而不能分解。Gudmundsson等人(1994)在常壓下把水合物樣品分別保存在5、-10、-18 的容器中，對(duì)十天內(nèi)水合物的分解進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果覺察水合物保存效果非 常好。當(dāng)溫度為-18時(shí)，十天期間水合物氣體的釋放量?jī)H為其包含氣體顯的0. 85%。Ershov和 Yakushev(1992)把水合物分別保存在-1-18C的溫度范圍內(nèi)，水合物可保持穩(wěn)定。Handa (1988, 1992)對(duì)水合物的

8、保存、分解進(jìn)行了討論，在相同條件下多孔介質(zhì)的存在使水合物的分解延遲。2. 3水合物的分解水合物的分解一般可通過轉(zhuǎn)變水合物所在條件，使氣體從水合物中分別出來。對(duì)確定成分的自然 氣水合物，有三種方法 可使水合物分解：在某溫度下降壓使其壓力低于相平衡壓力；在某壓力下升溫使其溫度高于相平衡溫度；通過加人甲醇、乙二 醇或電解質(zhì)(如氯化鈉、氯化鈣等)轉(zhuǎn)變水合物相平衡條件。圖4為Gudmundsson等人提出的水合物分解流程圖。圖4 Gudmurxkon等人水合物分解旅程圖美國(guó)德克薩斯高校的Sassen等人認(rèn)為可用一個(gè)特別的容器在海底收集自然 氣，并在容器布滿時(shí)由 于壓力上升而形成水合物。這種方法假如能實(shí)現(xiàn)

9、，可用水合物代替海底管道方法儲(chǔ)運(yùn)自然 氣，但有待 于進(jìn)一步討論。 3應(yīng)用前景 3. 1應(yīng)用領(lǐng)域隨著自然 氣水合物討論的不斷深化，自然 氣水合物的應(yīng)用范圍也越來越廣?？偟膩碚f可用于自然氣處理、海水淡化、二氧化碳溫室效應(yīng)氣體的處理、混合物的分別、自然 氣的儲(chǔ)運(yùn)等方面。水合物在自然 氣儲(chǔ)運(yùn)方面的應(yīng) 用主要包括以下三個(gè)方面：1)自然 氣的長(zhǎng)距離運(yùn)輸一一固態(tài)自然 氣水合物(Dry Hydrate)。自然 氣是一種對(duì)環(huán)境比擬友好的清潔能源，但由于 處于氣態(tài)存在運(yùn)輸問題。目前自然 氣的運(yùn)輸方式主要有兩種：管道輸送和液化自然 氣。在肯定條件下把自然 氣轉(zhuǎn)變?yōu)樗?合物進(jìn)行運(yùn)輸、儲(chǔ)存具有肯定的優(yōu)越性(表2)。去2

10、天然氣儲(chǔ)運(yùn)方法比擬硬目?jī)?yōu)點(diǎn)理力育初投資大做0液化儲(chǔ)存王儀禹旗力嘉.本錢超9tti壓力以抵*.啜附何及附周網(wǎng)長(zhǎng)水合物48運(yùn)必存需反育,我用低彩或條件到JH.-，8811缺乏2）收集石油工業(yè)中的伴生氣兩相冰水合物（Hydrate slurry）。對(duì)沒有特地收集伴生氣管道的石油部門，可采用水合物收集伴生氣。伴生氣在肯定條件下與水作用形成水合物，然后進(jìn)行運(yùn)輸；也可把水合物與原油混 合在一起以兩相冰形式通過管道進(jìn)行運(yùn)輸。3）自然 氣儲(chǔ)存一一在需要進(jìn)行自然 氣儲(chǔ)存的地方，把自然 氣轉(zhuǎn)變?yōu)樗衔飪?chǔ)存在特定的海底或陸地上，在需要時(shí)再 分解水合物獲得自然 氣。此外，水合物還可用于開采小型、零散的自然 氣田。我們

11、國(guó)家存在很多小型、零散的自然 氣田，像常規(guī)的鋪設(shè)自然 氣 管道在經(jīng)濟(jì)上不行行。這時(shí)可采用水合物儲(chǔ)運(yùn)敏捷的特點(diǎn)，把自然 氣轉(zhuǎn)變?yōu)樗衔镞M(jìn)行開采、運(yùn)輸。3. 2經(jīng)濟(jì)性比擬自然 氣水合物（NGH）儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是近幾年國(guó)外討論、進(jìn)展的一項(xiàng)新技術(shù).而我們國(guó)家在這方面兒乎處于空白。氣體 水合物可平安地儲(chǔ)存150200m3/m3的自然 氣（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）；而液化自然 氣（LNG）在大量、長(zhǎng)距離船運(yùn)自然 氣方面 應(yīng)用廣泛；管道自然 氣受氣源、距離及投資等條件的限制。假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)狀況下單位體積的水合物包含150m3自然 氣，而LNG含自然 氣600m3。這樣運(yùn)輸相同體積的自然 氣NGH方式所需船的容積將是LNG的四倍以上

12、。挪威科技高校的Gudmundsson等人（1996）對(duì)自然 氣年產(chǎn)量為 4X10的10次方m3,運(yùn)輸距離約為6475km,采納NGH和LNG不同儲(chǔ)運(yùn)方式的主要費(fèi)用進(jìn)行了比擬（表3）, NGH的總費(fèi)用 比LNG的總費(fèi)用低26%。Gudlnundsson在1998年對(duì)其他條件兩種運(yùn)輸方式的比擬也得到相類似的結(jié)果（NGH費(fèi)用低24%）。 圖5比擬了自然 氣管道、LNG和NGH輸送在不同運(yùn)輸距離與主要費(fèi)用的關(guān)系。現(xiàn)口LNCNCH百萬美元百萬美元/%百萬英元/G生產(chǎn)費(fèi)用I4S9569554853436運(yùn)電費(fèi)用750285602819025氣化次用1647824 40-9總計(jì)2677100I99J100

13、珈26表3 NGH與LNG主要密用比擬IEV/km圖5主要應(yīng)用與運(yùn)埼矩悶的關(guān)系4結(jié)語目前我們國(guó)家的能源以煤炭為主，與世界的能源結(jié)構(gòu)有較大的差異（表4）。自90年月以來，我們國(guó)家由石油出口國(guó)變?yōu)?進(jìn)口國(guó)，而且進(jìn)口量隨國(guó)民經(jīng)濟(jì)的進(jìn)展不斷增加。為優(yōu)化我們國(guó)家的能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)環(huán)境，自然 氣在我們國(guó)家的能源結(jié)構(gòu)中 所占比例必將得到較大的提高，而自然 氣的推廣應(yīng)用需高效、平安的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)。我們國(guó)家有很多零散氣田，儲(chǔ)量不大，鋪設(shè) 自然 氣管道和液化船運(yùn)都不經(jīng)濟(jì)，采用水合物收集、輸送可發(fā)揮其敏捷、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)。此外，自然 氣水合物儲(chǔ)存技術(shù)也可 用來作為一種調(diào)峰手段。表4能次結(jié)構(gòu)工程石渣，今天然氣/攵“燙核電/%水電/中國(guó)17.41.975.00.45 3把界40.023.127.27.22.5自然 氣水合物儲(chǔ)存技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù)，目前技術(shù)還不成熟，處于討論進(jìn)展階段。自然 氣水合物儲(chǔ)存技術(shù)的進(jìn)展與應(yīng)用