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可燃冰——一种天然气储运的备选方案(二)

已有 1086 次阅读 2019-11-6 20:16 |系统分类:观点评述

(二)天然气水合物简介

 

天然气水合物(Natural Gas HydrateNGH)指天然气在一定的温度和压力下,与水反应生成一种非固定化学计量的笼形晶体化合物,化学式可表达为M · nH2O。其笼形结构是由主体分子(水)形成亚稳态的空腔框架,尺寸适合的客体分子(气体)占据空腔 ,从而使框架变稳形成水合物,现已发现了三种天然水合物结构。

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6、三种天然水合物结构示意图

 

标准状态下1m3的天然气水合物(NGH)可以存储大约160m3天然气,由于其多项物理性质与冰相近,且遇火能平稳燃烧,因而俗称“可燃冰”。

性     质

甲烷水合物

密度/g·cm-3

0.910

0.917

声学速率/m·s-1

3300

3500

热容量/kJ·cm-3

2.3

2.3

热导率/W·m-1·K-1

0.50

2.23

             表1、标准状态下“可燃冰”(NGH)与冰的物理性质比较

             由该表可知,NGH的热导率比冰低,使其拥有更好的隔热性


现已知道NGH在自然界中广泛存在于大陆边缘的海底,以及永久冻土带的沉积物中,且预计储量相当丰富。我国于2017年5月在南海神狐海域首次试采NGH获得成功,并于同年11月3日正式将其列为我国第173个矿种。然而有趣的是,人类首次确认NGH的存在并不是在自然环境中,而是1934年由美国学者Hammer schmidt在被堵塞的天然气管道中发现并确认的。

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图7、自然环境中的NGH存在形态


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图8、人工环境中形成的NGH堵塞了输气管道

 

参照NGH的存在环境可以推测出其生成与保存条件。在深海环境中,NGH=甲烷+水+低温+高压+海底,说明气体水合物的形成需要有充足的水和一定的温压条件;气体分子的尺寸也很重要,太小(氢气)或者太大(正己烷)都无法稳定存在于笼形框架当中,水溶解度很高的分子(氨、氯化氢等)也无法形成水合物;另外,异类固相(海底/沉积层)以及对体系进行扰动可以加速水合物的形成。根据推导出的甲烷水合物相图可知NGH的形成条件并不苛刻:在温度低于10℃,压力小于100 atm的条件下即可生成。当温压条件处在NGH的形成区间之内时,加压或者降温有利于提高NGH的储气密度。

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  图9、甲烷水合物相图(1 MPa = 10 atm)

 

NGH在一定的温压范围内可以稳定保存,其理论分解温度最高可达30℃左右;通常在0-10℃、环境压力不高于100 atm的条件下即可稳定存在。另外,由于NGH的热导率低 ,自身隔热性好,可以在较低温度(高于-20℃即可)下实现常压保存;1994年,挪威科技大学的Gudmundsson 将 NGH常压保存于-18℃的隔热容器中,测得其10天内分解释放的气体仅为所包含气体总量的0.85%,这表明了以NGH的形式对天然气实现固态存储在经济上具有可行性。在实际操作中,可以通过对温度和压力同时进行“动态调节”,来维持NGH生成与稳定存在所需的最佳条件。

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  图10、甲烷水合物的稳定存在区间

注:

1、参考资料见《可燃冰——一种天然气储运的备选方案(五)》文末。

2、本文表格根据资料数据自行绘制;图片来自于资料及网络,无商业用途。




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