CN101520130A - 水合物储运装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水合物储运装置，采用管式层状结构，将一定数量的管道层层排列起来构成一个储存单元，每根管道内靠近两端处各安装一块挡板，挡板的高度为管道内径的70％～90％，管道的两端封闭，端面上开有2个进出气/水口，整个储存单元置于密闭空间内，在密闭空间箱体上开有2个制冷剂的进出口，可利用管道外壁的空间进行制冷，不需要额外的制冷管道，且制冷效果更好。按本发明设计的水合物储运装置集水合物的生成、冷冻、储存、运输和气化为一体，减少成型、装卸等中间环节，节约了设备投资和操作费用。

Description

水合物储运装置

技术领域

本发明涉及一种水合物储藏及运输设备，具体是一种集水合物的生成、制冷、储存、运输和气化功能为一体的水合物储罐。

背景技术

天然气水合物储运技术是正在研究和发展的一项新技术，其核心思想是水和天然气在高压低温下形成水合物，然后将温度降低到-5℃～-20℃，利用水合物的自保性，水合物在低温常压下能储存很长时间。1m³水合物能储存标准状态下150～180m³的天然气。我们用大量的实验分别验证了在大气压力下和在-5℃、-10℃和-18℃的冷冻库中储存的天然气水合物的稳定性。试验表明：储存在冷冻条件下的样品能够保持长期稳定。水合物储运技术不仅有储存空间小的优点，而且它较气态和液态天然气更安全，因为水合物不易燃烧，水合物的分解过程缓慢。1m³水合物相当于21MPa高压下的1m³压缩天然气。与管道天然气运输或者液化天然气运输相比，水合物需要较低的投资和运行耗费，较低的成本、简单和灵活的处理过程使得水合物运输天然气值得推广发展。在国外，特别是挪威和日本对这种技术非常重视，对水合物储运技术的各个方面和环节进行了研究，发展了一种水合物雪球运输链，它包括水合物的生成、成型、储存、运输和气化等过程。但是，它离商业化应用还有一定距离，还有许多技术问题需要研究解决。从国内来看，水合物储运技术研究相对较少，也没有实际应用的实例。目前天然气的运输和集散主要通过天然气管道，部分采用液化天然气和压缩天然气的方式。我国有大量的分散的小气田，产气量小，液化天然气和管道输送法都不经济适用。如果天然气储运的经济性得不到有效提高，这些气田将无法进行开采和利用，因此，需要一种安全可靠、费用低的天然气储运方式和设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是要研制一种水合物储罐，该储罐能集水合物的生成、冷冻、储存、运输和气化为一体，减少成型、装卸等中间环节，从而减少设备投资和总费用。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是采用管式层状结构，即将一定数量的钢管一层一层地排列起来，构成一个储存单元，管道的两端封闭，使管道内部空间和管道外部空间隔开，将整个储存单元装入一个密闭空间内。

在每根管道的两端离端面10～15cm处各设一块挡板，挡板为圆弧形，将管道分成左中右三个腔室，挡板的高度为内径的70％～90％，水合物在中间腔室中形成。在中间腔室中靠近挡板5～10cm处的管道底部开各有一个排水口，用于将腔室B中的水排出。两端的腔室为隔离腔室，水合物形成时两端的腔室中没有水，所以不会形成水合物。两端腔室的作用是避免水合物的形成而堵塞进出气管线。管道两端的端面各开设上下两个进出气(水)口，外面用管线互相连通。单元内管道末端的进出气(水)管线连接在一起，形成一个总的进出气(水)管线，即每个单元只有三个进出气口，一个排水口。制冷空腔中也开设一个制冷剂进口和一个制冷剂出口。

管道的直径优选12～18cm，管道材料为具有良好导热性的钢管或耐压质轻的其它材料，管道耐压4～6MPa，水合物形成时不再需要额外的高压容器。每层管道的数量优选8～24根，可以根据实际需要调整。每个单元管道的层数优选6～18层，也可根据实际需要调整。每根管道的长度为2～10m，如果将整个单元放到水合物储运汽车/火车上，则根据车辆情况来确定管道的尺寸和数量。

本发明将一定数量的管道一层一层地排列起来，构成一个储存单元，所有管道的两端密封，每根管道内部靠近两端各安装一块挡板将管道分隔成三个腔室，挡板的高度小于管道内径，中间腔室B中会有约80％的水留在管道中，水合物在中间腔室中形成，两端的腔室为隔离腔室，水合物形成时这两个腔室中没有水，设在两个端面上的上进出气口能防止两端腔室中的残留水形成水合物堵塞下排水口，整个储存单元密封于一个密闭空间内，管道外部与密闭容器之间构成的空间可以作为制冷剂的流通空间而不需要另外的专门管道。

附图说明

图1是储罐单元剖面图。

图2是单根管道结构示意图。

图3是储罐单元侧视图。

图中：1—密闭空间，2—制冷剂流通空间，3、6—进出气(水)管线，4、7—排水口，5、8—挡板，9—制冷剂出口，10—进出气(水)管线，11—进出气(水)口，12—制冷剂进口，13—进出气(水)口，14—排水口，15—上进出气(水)口，16—下进出气(水)口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来具体描述本发明。

实施例1

如图1所示，采用管式层状结构将432根直径为18cm长为10米的钢管按每层24根排列18层构成一个储存单元，每根管道的两端封闭，使管道内部空间和管道外部空间隔开，将整个储存单元装入一个密闭空间1内，管道外部与密闭空间1之间构成的空间用作为制冷剂的流通空间2。在每根管道的两端离端面15cm处各设置一块挡板5和8，如图2所示，将管道分成左中右三个腔室A、B和C，挡板为圆弧形，挡板5和8的高度为管道内径的80％。水合物在中间腔室B中形成，在中间腔室B中靠近挡板5和8相距10cm处的管道底部各开有1个排水口4和7，用于将中间腔室B中的水排出。两端的腔室A和C为隔离腔室，水合物形成时腔室A和腔室C中没有水，所以不会形成水合物。两端腔室A和C的作用是避免水合物的形成而堵塞进出气管线。腔室A的端面开设上下两个进出气(水)口15和16，外面用管线互相连通。下进出气(水)口16的作用是方便腔室A中的水排出，所以外部连接的管线应低于下进出气(水)口16。上进出气口15能防止腔室A中的残留水形成水合物后堵塞下进出气(水)口16。腔室C端面结构与腔室A端面结构相同。单元内管道末端的进出气(水)管线连接在一起，如图3所示，形成一个总的进出气(水)管线，即每个单元只有三个进出气口，一个排水口。制冷剂流通空间2中也开设一个制冷剂进口12和一个制冷剂出口9。管道材料选择具有良好导热性的钢管或耐压质轻的其它材料，管道耐压6MPa，水合物形成时不再需要额外的高压容器。密闭空间1采用钢制或其它强度符合要求，保温性能好的材料，对压力没有特别要求，只需要制冷剂不泄漏即可。制冷剂流通空间2不需要另外的专门管道，直接利用管道外部空间即可。为了减少热量损失，整个单元外部应该加保温材料或将整个储存单元放入一个保冷的空间中。

实施例2

如图1所示，采用管式层状结构将48根直径为12cm长为2米的钢管按每层8根排列6层构成一个储存单元，每根管道的两端封闭，使管道内部空间和管道外部空间隔开，将整个储存单元装入一个密闭空间1内，管道外部与密闭空间1之间构成的空间用作为制冷剂的流通空间2。在每根管道的两端离端面10cm处各设置一块挡板5和8，如图2所示，将管道分成左中右三个腔室A、B和C，挡板为圆弧形，挡板5和8的高度为管道内径的90％。水合物在中间腔室B中形成，在中间腔室B中靠近挡板5和8相距5cm处的管道底部各开有1个排水口4和7，用于将中间腔室B中的水排出。两端的腔室A和C为隔离腔室，水合物形成时腔室A和腔室C中没有水，所以不会形成水合物。两端腔室A和C的作用是避免水合物的形成而堵塞进出气管线。腔室A的端面各开设上下两个进出气(水)口15和16，外面用管线互相连通。下进出气(水)口16的作用是方便腔室A中的水排出，所以外部连接的管线应低于下进出气(水)口16。上进出气口15能防止腔室A中的残留水形成水合物后堵塞下进出气(水)口16。腔室C端面结构与腔室A端面结构相同。单元内管道末端的进出气(水)管线连接在一起，如图3所示，形成一个总的进出气(水)管线，即每个单元只有三个进出气口，一个排水口。制冷剂流通空间2中也开设一个制冷剂进口12和一个制冷剂出口9。管道材料选择具有良好导热性的钢管或耐压质轻的其它材料，管道耐压6MPa左右，水合物形成时不再需要额外的高压容器。密闭空间1采用钢制或其它强度符合要求，保温性能好的材料，对压力没有特别要求，只需要保证制冷剂不泄漏即可。制冷剂流通空间2不需要另外的专门管道，直接利用管道外部空间。为了减少热量散失，整个单元外部应该加保温材料或将整个储存单元放入一个保冷的空间中。

实施例3

如图1所示，采用管式层状结构将192根直径为15cm长为6米的钢管按每层16根排列12层构成一个储存单元，每根管道的两端封闭，使管道内部空间和管道外部空间隔开，将整个储存单元装入一个密闭空间1内，管道外部与密闭空间1之间构成的空间用作为制冷剂的流通空间2。在每根管道的两端离端面12cm处各设置一块挡板5和8，如图2所示，将管道分成左中右三个腔室A、B和C，挡板为圆弧形，挡板5和8的高度为管道内径的90％。水合物在中间腔室B中形成，在中间腔室B中靠近挡板5和8相距8cm处的管道底部各开有1个排水口4和7，用于将中间腔室B中的水排出。两端的腔室A和C为隔离腔室，水合物形成时腔室A和腔室C中没有水，所以不会形成水合物。两端腔室A和C的作用是避免水合物的形成而堵塞进出气管线。腔室A的端面各开设上下两个进出气(水)口15和16，外面用管线互相连通。下进出气(水)口16的作用是方便腔室A中的水排出，所以外部连接的管线应低于下进出气(水)口16。上进出气口15能防止腔室A中的残留水形成水合物后堵塞下进出气(水)口16。腔室C端面结构与腔室A端面结构相同。单元内管道末端的进出气(水)管线连接在一起，如图3所示，形成一个总的进出气(水)管线，即每个单元只有三个进出气口，一个排水口。制冷剂流通空间2中也开设一个制冷剂进口12和一个制冷剂出口9。管道材料选择具有良好导热性的钢管或耐压质轻的其它材料，管道耐压6MPa左右，水合物形成时不再需要额外的高压容器。密闭空间1采用钢制或其它强度符合要求，保温性能好的材料，对压力没有特别要求，只需要保证制冷剂不泄漏即可。制冷剂流通空间2不需要另外的专门管道，直接利用管道外部空间。为了减少热量散失，整个单元外部应该加保温材料或将整个储存单元放入一个保冷的空间中。

如果将整个储存单元放到汽车或火车上，则根据车辆的具体情况来确定管道的尺寸和数量。

形成水合物的操作过程，先关闭图3中排水口9和进出气(水)口11阀门，从进出气(水)口13通入反应水，灌满水后，从进出气(水)口10通入气体，将多余的水从进出气(水)口11和13中排出，这样操作的好处是不需要置换空气。由于每根管道末端挡板5的作用，每根管道中腔室B中会有约80％的水留在管道中，而腔室A中的水全部排出来。水排完后，可以从进出气(水)口10、11或13任一处通入要形成水合物的气体，也可以同时通入，加压后在管道中形成水合物。从制冷剂进口4通入制冷剂，制冷剂通过整个管道外部空间后从制冷剂出口14排出，对整个管道系统制冷。水合物在管道内形成并实现自压实。水合物在管道中形成后，对其进行降温，即控制制冷剂温度到需要温度，卸压，冷冻到—15～—20℃，密闭储存，压力0.3～0.5MPa，也可进行常压储存。可以将整个储罐单元系统放入储存运输容器中，实现对水合物的储存运输。当然，也可以将水合物汽车(火车)槽车做成一个这样的水合物储罐，由一个或几个单元构成，水合物形成后，不需要装车，直接将其运输到目的地即可。

水合物运输要目的地后，接着进行水合物的气化，这种结构的设计使水合物的气化变得简单，可以直接在每个单元的内部制冷空间通入大于15℃的水即可，如果附近有可利用的热源，则气化的速度会更快。水合物气化后，打开每个储罐单元底部的阀门，可对水进行回收。

需要说明的是，本发明只提供一种水合物储罐结构和储存运输技术，对水合物形成的细节问题如活性剂类型、浓度、形成温度等问题，文献已经有很多报道，不在本发明的要求保护的范围内，下面给出形成水合物的具体条件要求：

(1).水源：水合物的生成对水质没有特殊的要求，含有一定量的杂质的水可能更容易生成水合物。所以不需要对水作净化处理，只要求其中不含有抑制水合物生成的离子及有机物，不对仪器设备产生腐蚀作用即可。

(2).表面活性剂：为了加快水合物的形成，一般向水中加入一定量的表面活性剂，降低水的表面张力，以加快水合物的形成速度。国内外很多学者研究了各种表面活性剂对水合物形成的影响，从经济性和效果综合比较看，十二烷基硫酸钠是最好的表面活性剂。因此，选用阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠进行了水合物的生成试验，研究了活性剂浓度对水合物形成速度和水合物的含气率的影响，确定了最佳的表面活性剂浓度为300ppm左右。因此，在形成水合物的水中加入300ppm的十二烷基硫酸钠，加入前应充分搅拌。

(3).压力控制在4～6MPa，进入水合物反应容器，温度控制在0～4℃。

综上所述，本发明通过对水合物储罐结构和管式结构的设计，有制造工艺简单、耐压能力强、传热效果好、水合物易于形成的优点。实现了水合物静态条件下的快速生成。气体和水在每一根管道内和水接触，形成水合物，由于水合物的“攀壁”效应，水合物会沿着管壁面形成，并靠水合物自身的膨胀效应实现水合物的自压实。管道外壁的表面积大，强化了传热。利用管道外壁的空间进行制冷，不需要额外的制冷管道，且制冷效果更好。这种结构的设计也有利于水合物的气化，减少了水合物成型、装卸等中间环节，简化了水合物的储运工艺，节约了设备投资和操作费用。

Claims (4)

1.一种水合物储运装置，采用管式层状结构，其特征是，由6～18层、每层8～24根管道排列起来构成一个储存单元，每根管道的两端封闭，端面各开有上下两个进出气/水口，并用管线连接在一起，在每根管道内离两端10～15cm处各安装一块圆弧形挡板(5)和(8)，将管道分隔成左中右三个腔室，挡板的高度为管道内径的70％～90％，整个储存单元置于密封空间内，密封空间的上下各有一个开口，作为制冷剂的出口(9)和进口(12)。

2.依据权利要求1所说的水合物储运装置，其特征是，管道的直径为12～18cm、长度为2～10m。

3.依据权利要求1所说的水合物储运装置，其特征是，每根管道中间腔室在靠近挡板5～10cm处开有排水口(4)和(7)。

4.依据权利要求1所说的水合物储运装置，其特征是，密闭空间的上部有1个进出气/水口(10)，底部有2个进出气/水口(11)和(13)，用于安装单元内管道进出气/水管线。

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