梁月玖* 黄晓丽 颜毅

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.大庆油田工程有限公司）

基于天然气水合物的新型储运技术

梁月玖*1黄晓丽1颜毅2

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.大庆油田工程有限公司）

天然气储运技术是连接天然气开发和利用的重要纽带。介绍了天然气水合物的基本特性和应用前景，从天然气水合物的生成、储存、运输和分解等几个关键环节，系统地分析了天然气水合物在储运过程中的技术条件，给出了可供实际工业化生产参考的工艺技术流程。从技术性、经济性和安全性等多角度，比较分析了NGH、LNG、CNG等多种天然气储运方式的优缺点，提出了实现天然气水合物储运技术工业化一些亟待解决的问题。

天然气水合物；储运技术；技术性；经济性；安全性；应用前景

1 天然气水合物及其储运应用前景

1934年，Hammerschmidt（汉默施密特）在研究天然气加工设备和集输管道堵塞原因时首次在油气管道中发现了天然气水合物（NGH）。天然气水合物是由天然气分子（CH4、C2H6、CO2、H2S等）和水分子（H2O）在一定温度、压力条件下形成的白色结晶，外观类似致密的冰雪，是一种笼形晶格包络物，俗称“可燃冰”。天然气水合物含有约15%的气体和85%的水，1m3天然气水合物可携带150～180m3的天然气（标准状态），具有较高的储气能力。

天然气是21世纪的主要清洁能源，管道输送和液化天然气（LNG）储运是常用的输送方式。对于许多边远、零散气田及中小规模用户来说，利用管道和LNG储运的经济性较差。天然气水合物作为天然气存在的一种形态，为天然气储运技术提供了一条新思路，具有良好的应用前景。

2 天然气固态储运技术

目前，国内外对于利用天然气水合物实现天然气固态储运技术的研究尚处于室内实验和小型装置先导性中试阶段，尚未实现工业化。天然气水合物储运技术主要包括天然气水合物的生成、储存与运输、天然气水合物的分解等环节。

2.1 天然气水合物的生成技术

尽管不同的研究者提出了不同的天然气水合物的制备方法，但原理基本相同，即在一定的温度和压力下，使天然气与系统中的液态水或过饱和水蒸气接触，发生反应，生成水合物。

目前，用于水合物生成的反应器大致分为3类，即搅拌式反应器、鼓泡式反应器和喷淋式反应器。但是由于鼓泡式反应系统中孔板的孔径很小，容易被生成的水合物堵塞；喷淋式反应器面临如何将水合物生成过程中的反应热及时排走的技术难题，所以搅拌式反应器占据了主流研究方向。搅拌式反应系统是先在反应器中装入冷却后的水，天然气从反应器底部的止回阀进入，通过搅拌器的搅拌使天然气和水充分地接触，生成天然气水合物。通过管壳式换热器，利用乙二醇水溶液作为冷液，把反应热以及转动部件（如循环泵和搅拌器）所产生的热量及时带走［1］。

在2～6MPa的压力和0～20℃的温度下，反应容器中的气水体系过冷到理论基础平衡线以下4～5℃时，在搅拌容器中即可生成水合物［2］。

典型的天然气水合物生成系统的工艺流程如图1所示。

图1 天然气水合物生成工艺流程示意

在整个水合物生成过程中，晶核的形成比较困难，一般需要一定的诱导期，晶核受气体的组分、水合物形成的温度和压力条件及天然气与水的接触面积等因素的影响。

2.2 天然气水合物储存条件

天然气水合物可以在一定的温度和压力条件下实现稳定储存。

生成的天然气水合物在常压和-5℃、-10℃及-18℃的冷库中储存10天仍保持稳定。一方面，因为在上述条件下，天然气水合物只是发生表面分解，分解出来的水在水合物表面形成一层冰膜；另一方面，天然气水合物导热系数为18.7W/（m·℃），比一般的隔热材料还低，具有良好的自我储存能力。所以，除非外部继续加热，否则它将很难进一步分解。根据天然气水合物的这一特点，可将天然气水合物储存在隔热较好的普通钢制储罐中，且储罐不需要承压。

除了上述的常压低温的储存条件外，还可以通过提高储存压力，实现天然气水合物在常温下的稳定储存。例如，在压力为2～5MPa的管道中储输，或储存于承压储罐中装车外运［3］。

2.3 天然气水合物运输技术

不同的天然气水合物生产工艺可以制备出不同形态的天然气水合物，相对地会有不同的运输方式，主要表现为以下3种［4］。

一是，对于干水合物，可用类似LNG运输船的轮船运输。到达目的地后，在船上进行再气化，分离出来的游离水留在船上用做返航时的压舱水。由于制备干水合物时需要进行3次脱水，所以，此方式生产成本较高，而且装船作业也有一定的困难。

二是，对于经过2次脱水后稠度为1：1的水合物浆，可将其用泵送入双壳运输船上的隔热密封舱进行运输，舱内压力约为1MPa，温度为2～3℃，这种水合物浆再气化时可得到约为原体积75倍的天然气。此方法运输能力较低，运输成本较高。

三是，将干水合物与冷冻到-10℃的原油充分混合，形成悬浮于原油中的天然气水合物浆液，然后在常压条件下用泵送入绝热的油轮隔舱或绝热性能良好、运输距离较短的输油管中。输送到终端后，在三相分离器中分离出原油、天然气和水。此方法释放出的天然气约为油浆液体积的100倍，经济效果十分明显。

由此可见，水合物的运输工艺要求不高，易于实现。若大规模投入实际应用，可根据天然气的具体分布情况、周边依托情况、用户要求和技术经济条件等因素，选择合适的生产工艺。

2.4 天然气水合物的分解技术

天然气水合物的分解技术难度不大，可以通过破坏其相平衡来实现，即对特定组分的气体，在一定温度条件下，压力降至相平衡压力以下；或在一定压力条件下，温度升高到相平衡以上，以实现天然气水合物的分解；也可以通过对特定温度和压力的天然气水合物加入电解质或醇类物质，改变水合物的平衡存在条件，从而使气体从水合物中解析出来。

目前，天然气水合物分解较常用的方法是加热分解法。典型的加热分解流程如图2所示。

另外，除了热水，微波和超声波也被引入到天然气水合物的分解工艺中，并且获得了良好的实验效果［5］。

图2 天然气水合物分解工艺流程示意

3 经济性和安全性

目前，陆上天然气的运输方式主要以管道运输为主，另外还有压缩天然气（CNG）方式，海上运输主要以LNG运输为主。天然气以水合物的形式储运与其他天然气储运形式的技术、经济及安全性进行对比。

3.1 技术性对比

3.1.1 生产环节

NGH可以在2～6MPa、0～20℃条件下制备，对生产条件和设备材料要求不高，工业上较容易实现。LNG技术需将气态的天然气冷却到-162℃液化，净化、液化工艺复杂，其设备、尤其是价格昂贵的液化热交换器只能依靠为数很少的几个生产厂家提供，LNG技术对设备、生产工艺和人员水平都有很高的要求［6］。CNG需将低压天然气增压至20～25MPa装入高压气瓶组，其对设备要求较高。另外，NGH的生产条件对压力和温度的要求不苛刻，相对于LNG和CNG，NGH的生产能耗更低。

3.1.2 储运环节

NGH具有良好的分解自抑性，在常压下大规模储存和运输不需冷却到平衡温度以下，只要在-15～-5℃下保持绝热就可以稳定保存，普通的冷藏车改装后便可用来储备NGH。

LNG的运输一般采用常压、超低温（-162℃）方式，储存装置材料需要特殊钢材，而且储罐一般做成内外两层，设备性能要求高［6］。

CNG储运容器一般为厚壁式压力容器，体积笨重。近年来，产生了薄壁长盘管的压缩天然气技术，用于天然气储运和小规模天然气用户，降低运输成本［7］。

管道输送是陆上天然气运输的主要方式，输送压力通常在4～10MPa。用于连接稳定天然气气源和用气量大的天然气用户。

3.1.3 应用环节

NGH气化需要加热，并且需要压缩脱水，因此需要附加相应的设备和设计流程。但气化时释放气体速度慢，易于控制。

LNG气化直接通过常温下液体的蒸发进行，过程相对简便，可得到相当于原液态体积600倍的天然气。

CNG需要在消费地的减压站将高压天然气经1～2级减压至约1.6MPa，然后进入储罐，或进一步调压，进入城市管网。其技术难度较低，减压至常压后的体积约为原来的230倍。

管道输送方式需要在输配站对天然气进行调压，然后进入城市管网，其技术较成熟。

3.2 经济性对比

在面向中小规模用户、运输距离短的情况下，CNG方式具有较好的经济性，但是会受到拖车数量、运输条件、运输距离及气候等因素的限制。

陆上稳定气源和大型天然气用户之间，输送距离在1 000～4 000km时，管道输送是较为经济的形式。但对于一些边远、零散气田及小规模用户，管道输送方式投资较大，不够灵活。NGH方式因其灵活、经济等特点，可以成为弥补此项空缺的一种可行的方案。

对于长距离海上运输，目前基本采用LNG方式，但这种方式的投资、生产和运输费用都很高。如果采用NGH方式，将具有比较明显的优势。以天然气年产量为40×108m3、运输距离为5 500km为例，采用LNG和NGH方式的主要费用见表1。

表1 采用LNG和NGH技术主要费用比较［8］

由表1可以看出，与LNG相比，在生产和运输环节NGH都有较大的经济优势。但在再气化环节，LNG的气化过程较简单，而NGH气化需要加热、压缩和脱水等过程，增加了一部分费用。但从整体上比较而言，NGH较LNG节省了26%的费用。

3.3 安全性对比［9］

CNG储存压力高，生产和储运过程中有很高的危险性。LNG储存温度低，而且一旦发生泄漏将很快形成爆炸云团，也具有很高的危险性。

由于天然气水合物是在水分子构成的空穴中吸附气体分子而形成的固体化合物，其所圈闭的气体释放必须以冰晶骨架的融化为前提。由于天然气水合物本身具有良好的隔热特点，即使暴露在空气中，气体的释放速率也很慢，大大降低了因天然气大量泄漏而导致爆炸的可能性。

4 问题与建议

虽然天然气水合物储运技术的研究已经取得了一定的进展，但要实现大规模工业化尚有一些技术问题需要解决：一是高效快速生成天然气水合物的工艺、技术及设备；二是提高单位体积天然气水合物储存气量；三是改进天然气水合物分解技术。

我国天然气水合物研究工作应在借鉴国外经验，减少不必要的重复研究的基础上，建立专门的天然气水合物研究组织、协调机构，全面地、多学科地开展天然气水合物综合研究。

[ 1 ] 宋汉成.天然气水合物储运技术[J].上海煤气, 2007(3): 7-10．

[ 2 ] Gudmundsson JS,Parlaktuna M.Gas-in-ice;Concept Evaluation[M].Norwegian Institute of Technology, University of Trondheim.1991.

[ 3 ] 张琳,李长俊.水合物法储运天然气技术[J].天然气化工,2006,31(3): 46-49．

[ 4 ]李丹,敬加强，孙亮,等.天然气水合物浆体储运技术[J].油气储运,2009,28(4): 45-47.

[ 5 ]巩艳,林宇,汝欣欣,等.天然气水合物储运天然气技术[J].天然气与石油,2010,28(2): 4-7.

[ 6 ]易华,李伟宏,孙洪海,等.天然气水合物生产与储运技术比较[J].油气田地面工程,2006,25(1): 53.

[ 7 ]孙志高.天然气储运技术及其应用发展前景[J].油气储运,2006,25(10): 17-21.

[ 8 ]Gudmundsson FH.Transport of Natural Gas as Frozen Hydrate[A].Proceedings of the Fifth International Offshore and Polar Engineering Conference[C].The Hague,The Netherlands,1995 (6): 11-16.

[ 9 ]崔朝阳,沈建东,刘芙蓉.天然气水合物(NGH)储运天然气技术与常规储运技术的对比分析[J].科学技术与工程,2004，4(11): 925-928.

The storage and transportation technology of natural gas was an important bridge between development and utilization of natural gas. The basic characteristics and application prospect of natural gas hydrate were introduced. The technical conditions of natural gas hydrate storage and transportation from several key links such as the formation，storage，transportation，and decomposition were analyzed，and the reference process for the industrial production was proposed. The merits and demerits of NGH，LNG，and CNG in terms of technology，efficiency，and safety were compared. Some urgent problems to be solved in order to realize the industrialization of the storage and transportation technology of natural gas hydrate were put forward.

A New Technology of Storage and Transportation Based on the Natural Gas Hydrate

Liang yuejiu，et al.

TE866＋.9

A

1004-2970（2011）05-0026-04

梁月玖等. 基于天然气水合物的新型储运技术. 石油规划设计，2011（5）：26～29

* 梁月玖，男，助理工程师。2005年毕业于中国石油大学（北京）油气储运专业，获学士学位；2009年毕业于中国石油大学（北京）油气储运专业，获硕士学位。现在中国石油天然气股份有限公司规划总院油气田所，从事油气集输储运专业前期和科研工作。地址：北京市海淀区志新西路3号，100083。E-mail：liangyuejiu@petrochina.com.cn

2011-03-14

谷风桦