基于天然气水合物奇异自保护效应研究发展及其应用

2022-10-06

天然气水合物属于新型能源, 具有储量大的特点, 主要由天然气的水分子和气体分子在低温环境下形成。由于天然气水合物在低温下分子结构相对较为稳定, 有研究学者提出可利用其进行天然气储运, 降低天然气泄漏对环境的污染。近年来, 随着对天然气水合物自保护的深入研究, 发达国家已经该技术应用于天然气的储运中, 为我国天然气安全运输提供了新途径。

一、天然气水合物的特点

基于组成结构的不同, 天然气水合物的形态也存在差异, 常见的主形态以固体化合物、固体溶液、多孔吸附为主, 因其分子大小、排列次序等不同, 低温环境下的化合物的稳定性也不同。实践研究表明, 天然气水合物奇异自保护效应主要表现在处于低温结构下时, 其分解率会呈明显降低趋势, 分子稳定性则会明显提高。

二、水合物自保护效应的发展历史

1. 国外研究现状

水合物自保护效应由Makogon提出, 对输油管道中的水合物进行分析时, 发现当其处于某一特定温度下时, 该化合物分解能力会明显降低。19世纪80年底, Handa等人进行实验期间, 发现部分气体化合物在低温环境下会凝结成晶体状, 与其原有的分子结构相比, 稳定性会明显提高, 并提出于低温下晶体的分解能力会明显减弱, 莫斯科学者研究结果与其相符。Gudmundsson对水合物的储层温度进行分析时, 以258K为储层温度的临界值, 若低于该温度, 其储层时间能够延长。该研究结果为后期水合物在天然气储运中的应用, 提供了理论基础。Yakushev等发现水合物在低温环境下, 其表面会产生一层透明状晶体, 在抑制水合物分解中具有重要意义。同时, 研究结果还提示, 水合物在低温下的放置时间与其保存时间呈正比例关系, 即低温下放置的时间越长, 其保存的施加越长, 此后Nagao、Ebinuma等学者的研究结果也证实了该结论。

2. 国内研究现状

受到经济因素、研究技术等因素的限制, 我国对水合物的研究时间相对较晚。吴青柏等对水合物的分子结构进行分析时, 发现高温环境下和低温环境下分子结构的稳定性存在明显差异。陈光进等对低温喜爱水合物的分子结构的变化形态进行了研究。

三、水合物自保护效应的实际应用

随着对气体水合物的深入研究, 发达国家开始将天然气水合物奇异自保护效应用于天然的运输中, 为其工程化应用的发展提供了借鉴资料。本文主要对日本和德国的水合物在天然气储运中应用资料进行分析, 并提出这一储运模式是天然气储运未来发展的必然趋势。

日本三井工程造船有限公司对气体水合物深入研究, 于2002年将其应用于石油的运输中, 通过天然气治粒—储存——分解项目研究, 验证了水合物在天然其储运中的应用价值。随着应用技术的成熟, 该公司逐渐扩大生产范围, 并不断研发新的生产工艺, 为天然气储运提供了技术保障。

从2008年开始, 德国正式启动SUGAR, 即海底天然气资源的合作项目。这个项目的主要目标就是对海底天然气资源勘探和开采的新技术进行研究和开发。除此之外, 该项目还为如何实现天然气水和甲烷的合作运输提供了新的思路。在这种背景下, 学术界和工业界一起组建了新的项目合作小组, 对天然气资源的运输潜力进行了更进一步的研究, 获得了能够维持甲烷水化合物自我保护功效稳定的相关数据, 为船运水合物的风险分析提供了最原始的参考资料。

以上众多项目的开发极大地开拓了水合物技术在工程实际中的应用范围, 成功树立了水合法运输天然气运输的典范。

四、水合物自保护效应发展的不足之处

早期研究结果提示, 水合物表面的冰层组织能有效抑制其分子分解。基于该结论, 有学者提出, 所有的水合物在低温环境下的分解能力均会减弱。然而进行实验研究期间发展, 部分水合物并不具有奇异自保护效应。目前, 国内外文献均未对水合物晶体结构的影响因素的进行分析, 可能影响其应用安全性。此外, 还有学者指出, 部分水合气体于低温环境下表面会产生晶体, 但并不是所有水合物均具有奇异自保护效应, 其作用机理还有待继续研究。