水合物储运技术在天然气领域的应用前景.pdf

第3 5 卷第 1 期 2 0 1 6 ．0 1 行业论坛 水合物储运技术在天然气领域的应用前景 黄辉 粟科华 李伟 摘 要 较 好 的储 气能 力和 较 低 的储 气条 件使 得 水合 物作 为一 种 经 济 、安 全 、 高效 的 气 体储 运技 术越 来越 受 到重 视 ，在 国 外正逐 渐接 近 工 业化 。在 天 然 气领 域 ，水 合 物储 运 技 术作 为 管道运 输 、CNG运输 和 L NG运 输 以外 的 第四种 选择 ，可降低 常规 边 远 小 断块 气 田和 海上 气 田的 开发 门槛 ，为缺 乏 管 网基 础 的 页岩 气 、煤层 气 以及 水合 物 等 非 常规 气资 源开 发 初 期提 供 方 便 灵 活 的 集输 方 式 ， 以及 用 于城 市燃 气调 峰 和 农村 边 远 地 区的 供 气。 关键 词 天然气 ；水合 物 ；储运 ；应用前 景 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 6 8 9 6 ． 2 0 1 6 ． 1 ． 0 0 2 Appl i ca t i on Per s pe c t i ve of Hydr a t e St or age and Tr ans pOr t at i On Technol ogy i n Nat ur al G a s I ndus t r y H u a n g H u i ， Su K e hu a ， Li W e i A bs t r a c t DU S t O h i gh e r g a s s t or a g e c a p a c i t y a nd mi l d e r c on di t i on s ．h y d r a t e t e c hn ol o g y h a s b e e n p a i d mor e a n d mor e a t t e n t i on a s a n e c on omi c． s a f e a n d e ffe c t i v e me t h od f or g a s s t or a g e a n d t r d n s D or t a t i on ． 1 t i s r e a l i z i n g i n du s t r i a l i z a t i o n a br o a d ． 1 t c a n be c on s i de r e d a S a no t he r me t h od f o r g a s t r a ns p o r t a t i on b e s i d e s P i p e l i n e s ， C NG ， a n d LNG． Th e t e c hn o l o g y i s g oo d fo r d e v e l o pi n g r e ma t e s ma l l b l o c k c on v e n t i on a l g a s fie l d a n d o f f s h or e g a s fie l d s a S we l l a S S U P p l yi ng d c o nv e rtl e nt a n d fl e x i b l e g a t he r i n g a n d t r a n s D o r t d t i o n me t h o d fo r c on v e n t i on a l r e s o ur c e s s u c h a s s h a l e g a s ， c o a l b e d g a s a n d h y d r a t e a n d S O on a t e a r l y d e v e l o pme nt p ha s e wh i c h i s l a c k of pi pe n e t wor k ba s i s ． 1 t a l s o c a n b e u s e d fo r c i t y g a s p e a k s h a v i ng a nd g a s s u p pl y o fr e mot e a r e a ． K e y w or ds n a t u r a l g a s ； h y d r a t e； s t or a g e a nd t r a n s p or t a t i on； a p pl i c a t i on p e r s pe c t i v e 天然气水合物是水和天然气在高压低温条件下 形成 的一种非化学计量的笼型晶体化合物。由于甲 烷是 天 然气 的 主要成 分 ，因此天 然气 水 合物 也称 为 甲 烷 水 合 物 。 甲 烷 水 合 物 的 化 学 表 达 式 为 C H n H 0，其 中水合指数 n受温度 、压力 、生成 方式 等外界条件影响 ，决定 了水合物 的储气能力 。 理论 上 ，1 m 。 水合物能储存 1 7 6 m 。 的甲烷 。较好 的储气能力和较低的储气条件使得水合物作为一种 经济 、安全 、高 效 的气 体储 运 技术 越 来越 受 到 重视 。 1 现有天然气储运技术 现有天然气输送技术以管道输送 、液化天然气 L N G输 送 以及 压 缩 天 然 气 C NG 输 送 三 种 方 式 为 主 ，各有 其优 缺点 及适 用 范 围 。 管道输送是陆上长距离大规模天然气运输的主 要方式 ，具有安全性高 、经济性好的优点 ，但投资 较高 ，要求相当大的经济规模 。以我 国第一条天然 气大动脉西气东输一期工程为例 ，工程全长约 4 2 0 0 k m，设 计 输 量 1 2 01 0 m 。 ， 总 投 资 超 过 1 4 0 0 亿元 。 L N G储 运则 是海 上 长距 离天 然气 运输 的主要 方 式 。将 L N G在常压 、低温 一 1 6 2。 C下液化 ，体 积约为气态体积 的 1 ／ 6 0 0 ，能量密度接近汽油 ；但 L N G储 运 的难点 在 于将 天然气 液 化 以及维 持其 液态 需要 消耗 大 量能 量 ，设备 投 资及 运行 成本 高 。我 国 第 一 个 L N G接 收 站 中海 油 深 圳 大鹏 L NG接 收 站 ，年 接 收 L NG 3 7 01 0 t ，项 目总投 资 超 过 3 0 0 亿元 。 C N G储 运 是 将 常 规 天 然 气 在 2 5 MP a 左 右 的压 基金论文 中国石化石油勘探开发研究皖皖控项目 G 5 8 0 0 1 4 一 Z s - Y K O 0 3 - 3 、中国博士后基金项目 2 0 1 3 M 5 3 0 8 4 9 资助。 中国石化石油勘探开发研究院 油气 田地面工程 h t t p -J ／ w w w ．y q t d mg c ．C O rn 5 行 业论 l 云 黄辉等水合物储运技术在天然气领域的应用前景 力 下 进 行 储 运 ，是 天然 气 陆地 短 途 运 输 的 主要 形 式 ，具 有常 温运输 方便 灵 活 的特点 ；其不 足之 处在 于 全 程 维 持 2 5 MP a 的 高 压 ，存 在 一 定 的危 险性 ， 容器制造成本高 ，对材质要求严格。 2 国外水合物储 运技术发展现状 日本 将 水 合 物 储 运 技 术 定 位 为 开 发 储 量 为 1 4 21 0 。 一l 4 2 0 X 1 0 E 1 、运 输 距 离 1 0 0 06 0 0 0 k m的海 上 常 规 气 田及 水 合 物 资源 的集 输手 段 。 日 本 主 要 的 L N G船 舶 和 F P S O生 产商 三 井造 船 与工 程 株 式 会 社 2 0 0 6 年 建 立 了 日产 水 合 物 5 t 的 中 试 装 置 ，并 于 2 0 0 9 年 进 行 了 气 源地 水 合 物 生 成一 陆上 水 合 物槽 车运输 一用 户水 合物 化解 产气 的陆 地运输 实 证项 目。 目前正在进 行 t 0 0 t ／ d 的陆上 中试装 置 的 设 计 工作 。 德 国基 尔 应 用 技 术 大 学 2 0 1 1 年 提 出了 包含 水 合 物 生 成 、造 粒 、运 输 的水 合 物 法 储 运 天 然气 流 程 ，以处理 量 2 X 1 0 m 。 ／ h 、运输 距 离 l 0 0 0 k m为 背 景 条件 ，初 步设 计 了包 含 海 上平 台 、F P S O和水 合 物船 的海 上水 合 物 储运 系 统 ，并 给 出 了 F P S O和水 合物 运输船 的设 计方 案 。 挪威 和 日本 的研 究 人员 以东南 亚 天 然气 输 送 至 E l 本为 例 ，共 同提 出了如图 1 所示 的水 合物生 成 、运输 和再 汽化 概念 流程 ，并 做 了相应 的经济 评 估 。天 然 气在 6 ． 5 MP a 、2 ～8。 C 下 生成 水 合 物 ，经 过 固液 分离 并成 型后 ，在 一 1 5。 C 常压 下用 船 运 到 目 的地 ，经 过再 汽 化 、净化 、压缩 后 进人 用 户 管道 。 相应 的 经济评 估 表 明 ，运距 6 0 0 0 k m以 内 、年产 量 为 3 0 0 X 1 0 t 时，水合物法运输方式的全寿命成本 比 L NG低 1 2 ％。 离机 图 1 水合物生产概念流程 自2 0 世 纪 9 O 年代 水 合物 储 运 概念 流 程 提 出 以 来 ，水 合物 储运 天然 气技 术在 国外 正逐渐 接 近工业 化 。据 E l 本 研 究人 员规 划 ，至 2 0 3 0 年 世 界水 合 物 6 运输 天然 气量将 相 当于 1 0 0 0 X 1 0 t L N G。 3 国内水合物储运技术发展现状 国内对水 合物 储运技 术 的研究 主要 关注 于提 高 水 合物 储气 密度 和生成 速度 。 国土资源部 青 岛海 洋 地 质研 究 所考 察 了 十二 烷基 硫 酸钠 S D S 水 溶 液一 甲烷体系 、粉末冰一 甲烷体系 、粉末冰一 多孔介 质～甲烷体 系下的水合物储气特性 ，发 现粉末冰一 多孔 介 质一 甲烷 体 系 的水合 物 储 气密 度较 高 ；天津 大学 、中科 院广东 能源所 分别 利用 湿活 性炭 和碳 纳 米管实现了体积分数为 1 5 0的体积储气密度。华南 理 工大 学利 用 生物 表 面活性 剂 实现 了 1 7 0 的 体积 储 气 密 度 。中 国 石油 大 学 北 京 在 2 一 甲基 咪唑 锌 盐 Z I F 一 8 和水的混合体系中生成水合物 ，在水 合 吸附共 同作用下 ，其体积储气密度超过了 1 7 6 的理论值 ，达 到 2 2 0 以上 。 已有 的研 究成 果表 明 ，通过 加入 表 面活性 剂 和 多 孔 介 质 ， 水 合 物 最 大 储 气 密 度 已 经 与 C N G 2 5 0 接 近 。但 随着储 气量 的提高 ，水合 物生 成所 需要 的时 间也从几 十分钟增 加 至数天 ；活性炭 等 多 孔 介质 虽然 能 吸附天 然气 ，提 高储气 密度 ，但 也进 一 步提高了水合物生成的压力下限，增加了设备投 资；吸附作用虽然能提高储气密度 ，但在需要释放 出天然气时，往往需要较长时问脱附或不能完全脱 附 ；天然 气 中重 烃 、C O 、S O 等重 组分 和杂 质会滞 留在 吸附剂 内部 造成 失效 ；表 面活 性剂 和多 孔介 质 吸附剂 的加入 ，向天然气 中引入了新 的杂质 ，增加 了运行 成本 以及后 期处 理 费用 。 通常采用搅拌、鼓泡 、喷雾等手段在不同尺度 上增 大气 液接触 面 积 ，提 高水 合物 生成 速度 。从 工 业应 用 的角度来 看 ，搅拌 使得 能量 消耗 增大 ；为 了 维持一定的搅拌速度 ，反应器 中水合物相与水相的 质 量 比一 般 不 能 超 过 5 0 ％，这 限制 了反 应 器 的 效 率 ；通 过搅 拌 生 成 的水 合 物 所 含 的 问 隙水 数 量 增 加 ，水合物总体储气密度降低 。采用超声波雾化增 大气一 水接触 面积 ，可 以提高水合物生成速度 ，但 是相关设备的投入不仅使投资费用增大，而且也增 加 了运行 费用 。除 物理强 化 手段外 ，通 过加 入水 合 物热 力学促 进 剂 ，如 四氢 呋 喃 ，可 以显 著加快 水 合 物 的生成 速度 。另外 ，中 国石 油大 学 北京 向反 应器 中加人不锈钢片 ，华 南理工大学以多孔泡沫 铝 水作 为水 合 物 生成 体 系 ，均 发 现 能显 著促 进 水 合 物的快 速生成 。 水合 物生 成装 置与储 运 条件 方面 ，国内也 进行 了研 究 。大连 理工 大学对 半 连续搅 拌槽 式反 应 器与 油气田l 也面工程 h t t p d ／ w w w ．y q t d m g c ． __ o 1 11 第3 5 卷第1 期 2 0 1 6 ．0 1 行业论坛 喷 淋式 反应 器 的生 产能 力 和能 耗进 行 了评 价 ，结果 表明半连续搅拌 釜式反应器显著优 于喷淋式反 应 器 。 中科 院寒 区旱 区 环 境 与 工 程 研 究 所 发 现 粒 径 1 mm以上的水合物颗粒 ，在一 4。 C常压下即可长时 间保存。中海油研究总院对水合物的再汽化过程进 行 了研究 ，建立了吻合度较好的数值模型。 总体而言 ，目前的水合物生成强化手段虽然在 储气密度 、生成速度 、生成成本这三个方面都取得 了较大的进展 ，但仍然不能满足工业需要。水合物 储 运技 术在 国 内的实 际应 用还 有待 于 水合 物 的快 速 生成方法、生产工艺和设备 、储存和运输方式这三 个 技 术瓶 颈 的突破 。 4水合物储运技 术的应用前景 与 管道 、C N G、L N G输送 这 几种 现有 的天然 气 储运方法相比 ，水合物储运技术 的特点是 ①提供 了 气 态 管 道 、C N G 、液 态 L NG 以外 的 第 四 种集输手段 ；②储运条件温和，安全性高；③气质 要求低 ，对水 、重烃 、C O 等杂质不敏感 ；④可利 用 井 口气 体 压 力 能 维 持 生成 水 合 物 的高 压 低 温 条 件 ，节能减 排 。 根据我 国天然气产业的发展现状和规划 ，水合 物 储运 技术 可 应用 于如 下几 个 方面 1 常规气。水合物储运技术可作为开发产量 较 低 、距 离较 远 的陆 上边 远小 断块 气 田和管 道敷设 成 本 较 高 的 海 上 气 田 的集 输 手段 ，可 降 低 开 发 成 本 ，提 高天 然气 产量 。 2 煤层气 。我 国煤层气资源量为 6 ． 3 71 0 m 。 ，储 量可 观 ，但 分 布分 散且 极不 平衡 ，大 型气 田 数 目少 ，中等规模及小规模气 田占绝大多数。在我 国 已有 和正 在 建设 中的小 型煤 层气 试 验开 发井 网范 围内，除少数地区有地域性的集输管网外 ，大部分 气 田开 采 的煤 层气 只 能就 地烧 掉 。这 一现 状制 约 了 投 资者 对煤 层 气这 一 资源 开发 利 用 的热情 。水 合 物 储 运天 然气 技 术 的研究 ，可 以为煤 层气 资 源 开发 提 供 一种 灵活 方便 的集 输 手段 。 3 页 岩 气 。我 国 的 页 岩 气 开 发 已经 取 得 突 破 。相对于常规气资源 ，页岩气具有初期产量高但 递减快 、长期产量低且稳产时间长的特点 。根据初 期 产量 建设 的集输设 施 在稳 产 阶段 将 长期 处 于 “ 大 马拉 小车 ” 的状态 ，造成 设备 闲置 。水合 物 储运 技 术可以作为常规集输工艺的辅助手段 ，按长期低产 量 设计 集输 管 网 ，初期 集输 能 力不 足 部分 则 由移 动 式水 合 物生 产储 运装 置 补充 。 4 天然气水合物 。我国天然气水合物资源量 巨大 ，陆 上冻 土 区远 景 资 源量 约 为 3 8 01 0 t 油 当 油气 田地面工程 h t t p ／ ／ w w w ．y q t d r n g c ．c o r n 量 ；海域水 合 物资 源仅 珠 江 1 3 盆 地 一地 即 已控制 储 量 1 0 0 0 X 1 0 一 1 5 0 01 0 m ，相 当于 特大 型 常规 天 然气 藏 。对 这些 无油 气 管线 的地 区 ，水合 物储 运技 术可以作为开发初期 的集输手段 ，降低开发 门槛 ， 减小 开发 过 程对 冻土 带脆 弱生 态环境 的破坏 。 5 城 市调 峰 。随着 城市 燃气 行业 的 发展 ，对 燃 气 应急 储 备与 调峰 气量 的需 求也 越来 越 多 。国家 近期颁布的一 系列政策文件 天然气利用政策 2 0 1 2 版 、 天然气 发展 “ 十二五”规划2 0 1 2 版 、 能源发展 “ 十二五”规划2 0 1 3 版鼓励城市调 峰 储气 设施 建 设 ，并 要 求天 然 气销 售企 业 、天然 气 基 础设 施运 营企 业 和城 镇燃 气经 营企 业共 同保 障 安 全供气。用水合物的形式储存天然气 ，投资小 ，灵 活 性高 ，可 以作 为城 市调 峰 的补充 手段 。 6 农 村 和边远 地 区供气 。水合 物储 运技 术储 气压力远低 于 C N G，储气 温度 接近常温 ，条件 温 和 。水合物 的安全性要优 于 C N G和 L N G，更适 宜 作为居民应急储备用气。另外 ，较大型的水合物储 罐还 可 以直 接为 边远 小 区供气 ， 目前 日本 已经 进行 了这 方面 的工 业试 验 。 5 结 语 水合物储运技术在天然气边远小断块气 田和非 常规 资 源开 发方 面 ， 以及 城市 燃气 调 峰领 域 ，市场 需求量大 ，社会 、经济效益显著 ，有着广泛的应用 前景 。应 针对 水合 物储 运 的技 术特 点 ，开展 相关 的 研 究 工作 ，突破技 术瓶 颈 ，形 成一 系列 水合 物储 运 新技 术 、新工 艺 和新 设备 ，推 动我 国天 然 气工业 的 发展 。 参考 文献 【 1 】S L OA N E D， F u n d a me n t a l p r i n c i p l e s a n d a p p l i c a t i o n s o f n a t u r a l g a s h y d r a t e s [ J ] ． Na t u r e ， 2 0 0 3，4 2 6 1 1 3 5 3 35 9． [ 2 ] 陈光进 ，孙 长宇 ，马庆兰 ．气 体水合 物科学与 技术[ M] ． 北京 化 学工业 出版社 ，2 0 0 8 2 6 4 - 2 6 5 ． 【 3 ] 李安 星．天然气 水合物形 成速度 的影 响因素【 J 1 ．油气 田 地 面工程 ，2 0 0 8 ，2 7 8 8 4 ． [ 4 ] 郑黎明，张洋洋，赵晓林 ，等．高压低温下水合物生成 因素[ J ] _油气 田地面工程 ，2 0 1 2 ，3 1 1 1 3 3 3 4 ． 作者 简介 黄辉 教授 级 高工 ，博士 ，2 0 0 9年毕 业 于 中 国石油 大 学 北京 油 田开发专业 ，从事 油气 田地面工程 的规划与研究 工 作 ，0 1 0 8 2 3 1 1 9 6 6 ，h u a n g h u i ． s y k y s i n o p e c ． c o rn，北京市 海淀 区北 四环 中路 2 6 7 号 ，1 0 0 0 8 3 。 收稿 日期2 0 1 5 0 5 1 1 栏 0编 辑 纪 玮 杰 7