天然气水合物储运天然气技术

第28卷第2期天然气与石油Vol 28. No. 22010年4月Natural Gas And Oil2010天然气水合物储运天然气技术巩艳!,林宇2,汝欣欣3,袁宗明,陈凯(1.西南石油大学四川成都610500;2.中国石油西南油气田分公司川两北气矿邛崃作业区,四川邛崃6l530;3中国石化西北油田分公司塔河采油一厂,新疆轮台841600;4.中国石化西北油田分公司油气运销部新疆轮台841600)摘要:随着世界能源需求的不断增长以及天然气资源的大力开发和利用,必然要求不断完善天然气储运技术。天然气水合物储运天然气技术具有安全可靠、成本低等优势,备受瞩目。概括了目前天然气主要的储运方式,简单介绍了天然气水合物的特性,从天然气水合物的制备、储存、运输、分解等几个方面分析了天然气水合物储运技术,比较分析了天然气水合物技术与其他夭然气非管输技术的经济性关键词:天然气;天然气水合物;储运文章编号:10065539(2010)024000404文献标识码:A天然气的储存和运输是天然气工业的重要组成体作为“客”气体分子填充在网格之间的空穴中,并部分,是实现天然气利用的重要前提。目前,世与水分子通过范德华力稳定地相互结合在一起。目界天然气产量的75%采用管道运输,25%采用液化前,已发现的天然气水合物结构类型有三种:I型天然气(LNG)运输2-4,前者适用于陆上和较短距型和H型。I型天然气水合物在自然界分布最离的海上输送,而后者适用于远洋输送。这两种方广,而Ⅱ型和H型水合物更为稳定。法的共同优点是输送量大、可靠,但都存在投资高、低温高压是NGH稳定存在的必要条件,在常温风险大适应产销变化灵活性差等缺点。为拓宽天常压下,NGH会发生分解,析出水,释放碳氢气然气的开发潜力及市场覆盖范围,近几年来,国内外体。1m3饱和天然气水合物可储存150-180m3都致力于研发前述两种常规输送方式以外的天然气的气体。NGH的储气能力取决于水合物所形成储运方式-25:压缩天然气(CNG)储运、吸附天然的结构类型,据报道H型结构水合物理论上比I型气(ANG)储运天然气水合物(NCH)储运、以电能和Ⅱ型可储存更多的天然气。。这些结构的形成的形式输出天然气能源(CrW)、地下储气库又取决于天然气的组成以及所使用的添加剂。(UNGS)储气、近临界流体(NCF)储气、转化为其他液体(LPG、DME等)以及溶剂中储存天然气。与其2NGH储运技术他储运方式相比,天然气水合物储运技术具有成本低、简单灵活、安全可靠等优点而更受人们的瞩日。2.1NGH储运基本原理1天然气水合物概述NGH储运的基本原理是利用天然气水合物的巨大储气能力通过一定的工艺将天然气制成固态天然气水合物是在一定温度压力条件下,由水的水合物然后将水合物运送到储气站在储气站气分子和碳氢气体分子组成的一种类冰的可燃的非化成天然气供用户使用如图1)所示固定化学计量的笼形晶体化合物。它是一种主-客NGH储运一般基于两方面的考虑:一是开采海体结构:水分子通过氢键形成主体结晶网格,碳氢气上气田或远洋进口天然气天然气在气田或出口国收稿日期:20090923作者简介:巩艳(1986-),女四川绵阳人,两南石油大学在读硕士研究生,主要从事油气集输工艺的研究。电话13688195581。第28卷第2期巩艳,等:天然气水合物储运天然气技术物生成a,约2c约3Ma,约2℃分离器↓水-5℃约3MPa,约2℃或01MPa,<0℃再气化天然气运输容器分离器图1NGH储运的基本原理ψ液态烃图3 Gudmundsson等人的水合物生成流程示意图加工成水合物,再通过轮船运往需要的地方气化后使用;二是内陆储运,主要是在没有必要铺设专用管状,以提高NGH的储气密度。在NGH的各种储运道的情况下使用。NGH储运技术路线如图23所形状(粉末状浆状、块状和球状)中,由于球状水合物在-15℃的储存温度下的分解率低于0.25%/d具有很大的储气效率,并能够更容易地进行分解,而天然气用户被认为是最好的储存形状。日本三井工程和造船公气田上水合生成物叫轮船运输→再气化加1司的研究小组已成功开发一种利用水合物雪球储存天然气的方法,即将天然气在高于0℃和5~6MP压力下鼓泡通过水,在有三节搅拌器的反应器中形然气接收站及一再气化内陆天然气小水合物生成成水合物,水合物通过脱水装置脱去多余的水后送气体加L厂人储存罐,再通过造球机将固态水合物做成直径为图2NGH储运技术路线5-100mm的水合物雪球。2.3NGH的储存与运输22NGH的制备NGH的储存运输形式目前还没有完全定论,不NGH的形成包括气体分子在水中的溶解、晶核同的生产工艺会产生不同的形态:a.水合物生成的形成以及水合物的生长过程。气体的组成水后固液分离水合物以固体的形式储存运输;b.水合合物形成的压力与温度、水与天然气接触面积、水的物生成后不需固液分离直接制成水合物浆运输,到表面张力、水的极性和水分子的排列结构等将会影达指定地点后用浓浆泉打入储存罐;c.利用水合物响水合物的形成速度和填充率。雪球的形式储运。而最佳的水合物储存运输形态需甲烷是天然气中的主要组分,但它的相平衡压要结合其稳定性和经济性作进一步的研究分析。力高、温度低,诱导时间长,水合物不易形成因而研2.3.1储存究的重点在于如何改善NGH生成的相平衡条件NGH在常温常压下会发生分解,因此通常采(如降低压力、升高温度等)缩短诱导时间以及提用低温常压法或高压常温法储存NGH。1994年,高储气密度。Gudmundsson等发现在常压下,把NGH储存于-5Gudmundsson°发现在天然气中加入%的乙-10和-18℃的容器中可达10d,在这10d之内,烷和2%的丙烷可以降低平衡压力约1.15MPa,并水合物基本上不分解,当温度为-18℃时,这10d提出NGH在2~6MPa压力和0~20℃温度下,当反内水合物的气体释放量仅为其中所包含气体量的应容器中的气水体系过冷到理论平衡线以下40.85%。他认为这可能是当NGH储存温度为水的5℃时,在搅拌容器中NGH即可生成,如图冰点以下时,水合物表层发生分解后形成了一层冰314:0所示。保护层,从而阻止了水合物的进一步分解。可通过提高搅拌效率添加化学添加剂投入水2.3.2运輸合物晶种、促进气体溶解等方法促进水合物的生长目前已提出的NGH的运输方式有:提高水合物生成速率。英国气体公司研发出的一种工艺方法是生产干生成的NGH经脱水后必须被加工成一定的形水合物然后采用与LNG运输船相似的轮船中进行6天然气与石油010年运输,到达目的地之后,在船上进行再气化,分离出来的游离水即留在船上用做返航时的压舱水。但是-15℃混合分离器一压缩}“分离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。英国气体公司研发出的另一种工艺方法是将经过两次脱水后稠度为1:1的水合物浆用泵送入双壳运输船上的隔热闭封舱进行输送,该舱压力为MPa,温度为2~3℃。这种水合物浆再气化后可得到约为水合物浆体积75倍的天然气。但由于该方图4 edmundson等人的水合物分解流程示意图法运输能力的有效利用率仅为前一种工艺方法的半左右,因而其运送成本将明显增加。中引起的一种特有的物理现象,是液体中的微小气第三种方法是挪威阿克尔工程公司研究的工艺泡在声场作用下发生的一系列动力过程。超声空化方法:将制成的干水合物与已经冷冻到-10℃的原越强,水合物越易于分解。可以从降低超声频率提油充分混合形成悬浮于原油中的天然气水合物/油高外界压力和温度、改变介质物性(如物质的状态、浆液,在接近于常压的条件下采用绝热的油轮隔热密度和比热容)等方面强化超声空化。另外,不同闭封舱或绝热性能良好、运输距离较短的输油管道的超声波探头施加方式也会影响反应过程,超声波输送到接收终端后在三相分离器内分离为原油天探头施加在两相界面上的效果要明显优于施加在反然气和水。据报道,从油浆液中释放出来的天然气应器的外面(如底部)或水中。约为油浆液体积的100倍,其经济效果也与英国气体公司的工艺方法相近。3NGH储运技术经济分析43.9以上三种输送工艺基本上都具有工艺要求不高和操作简便的特点,尤其是第三种方法,由于可通过Gudmundsson等人(1996年)对天然气年产量管道输送,因此史值得关注。为4x10°m3,运输距离约为6475km,采用NGH和LNG不同储运方式的主要费用进行了比较,见表124NGH的分解表lLNG与NGH技术主要费用比较NGH的分解必须具备两个条件:NGH处于非项目百万美元/(%)百万美元/(%)百万美几(%)平衡状态,即温度高于一定压力下的平衡温度或压生产费用1489(56)95548)534(36)力低于一定温度下的平衡压力;获得足够的分解热。运输费用50(28)5028)190025)NGH的分解在技术上不是太大的问题,目前通气化费用438(16)478(24)常采用三种方法:利用加热手段促使水合物分解合计267100195(100)684(26)的加热法;压力降低到水合物相平衡条件下的减压从表1中可看出,NGH的成本比LNC的成本法;加入电解质或醇类抑制剂等化学物质改变水合低26%,在安全性和可行性方面有很大的优势。物的相平衡条件的化学试剂法利用NGH储运天然气技术主要包括生产、储运Gudmundsson等通过研究设计了一套水合物分和应用等三个环节,其中生产过程是一个最主要的解方案:将微温的水酒在水合物上,使其分解,释放的天然气经压缩后供给用户使用,如图4…所示。环节,在工程费用中投资最大其费用比例如表2所除此之外,还叮以利用微波2和超声波对表2NGH储运流程中工程费用比例水合物进行分解。微波具有独特的加热性能热量费用项目所占比例/(%)从介质内部产生,温度场比较均匀,十分有利于化学生产费用57.3反应的进行。1999年,美国R.E. Rogers报告了他运输费用33.7们利用微波分解水合物,在合适的微波能量输人下再气化费用8.5可得到最大的气体生产率。超声波对水合物分解的其他费用合计100影响主要来自超声空化。超声空化是强超声在液体第28卷第2期巩艳,等:天然气水合物储运天然气技术图5比较了釆用不同的天然气运输方式时运输善该技术,进一步降低其成本,提高其经济效益使距离与成本的关系图。管线运输设定的条件为挪威其更具市场竞争力,为NGH储运技术将来在我国储Φ508的管线,成本每公里为100万美元,运输天然运工业中的广泛应用作好技术准备。气量大于0.1132×10°m3。参考文献[]樊栓狮.天然气水合物储存与运输技术[M].北京:化液化天然气学工业出版社,2005300[2]宋汉成焦文玲,胡簽,等.基于水合物技术的天然气储运[J].煤气与热力,2006,26(12):4-7四200天然气水合物[3]吴华丽汪玉春陈坤明,水合物储运技术及其应用前景[J].天然气与石油,2007,25(5):19221 00C[4]刘熠,李长俊.水合物技术在天然气储运中的应用[J]天然气与石油,2006,24(5):7-9[5]陈光进,孙长宇,马庆兰气体水合物科学与技术0200060001000014000[M].北京:化学工业出版社,2008距离/km[6]张琳李长俊水合物法储运天然气技术[门].天然图5运输距离与成本的关系气化工,2006,31(3):46[7] Rajnauth从图5中可以看出,运输距离大于1000km时,管道运输的成本大于天然气水合物;当运输距离portation[ A]. Europee/EAGE Conference and Exhibition大于1760km时,液化天然气运输的成本低于管道[C].2008运输;无论运输距离多大,天然气水合物的成本都低[8Masoudi R, Heriot-Watt U, Tohidi B Gas Hydrate Produc-tion Technology for Natural Gas Storage and Transporta-于液化天然气。tion and CO, Sequestration[ A]. SPE Middle East Oil andGas Show and Conference[ c].20054结语[9] Gudmundsson J S, Parlaktuna M. Gas-in-ice: Concept E-valuation [M]. Norwegian Institute of Technology, Univer-NGH技术是国内外近几年研究发展的一项新sity of Trondheim, 1991. 56技术。NCH是固体,可在常压下进行保存,具有较10]孙志高,樊栓狮郭开华等气体水合物储运天然气高的安全性,其生产工艺简单,储气能力较强,其很技术与发展[J].化T进展,2001,20(1):912好的经济性和灵活性使得零散生产期短的气田具11崔朝阳,沈建东,刘美蓉等天然气水合物(NH)储诸有很大的开采价值,同时也有利于发展小城镇天然运天然气技术与常规储运技术的对比分析[J].科学气用户。这些优点使得水合物法运输天然气值得研(12] Gudmundsson JS. Hveding F, Borre haug a. transport of究推广。但目前NGH储运技术研究还不完全成熟Natural Gas as Frozen Hydrate[A]. Proceedings of the面临着一些具体技术难题,如水合物的大规模快速Fifth Intemational Offshore and Polar Engineering Con生成、固化成型集装和运输过程中的安全问题、水ference [C]. Hague, Netherlands, 1995: 11-16.合物的有效分离手段和高效分解方法等,这些问题[13]杜晓春黄坤孟涛等天然气水合物储运技术制约着该技术的推广应用,而NCH储运技术的发展的研究和应用].石油与天然气化工,2005,34(2)和应用必将在国民经济建设中发挥巨大的作用,因9496此,建议加强对NGH储运技术的相关研究,不断完