一种天然气水合物储存和再气化装置及方法

气体或液体的贮存或分配装置的制造及其应用技术1.本发明属于天然气储运技术领域，具体涉及一种天然气水合物储存和再气化装置及方法。背景技术：2.天然气水合物（natural gas hydrate, ngh）储存法是指以水合物的方式来储存和再气化天然气。在常压下对天然气进行储存时，每立方米ngh可存储约170至180立方米天然气。天然气水合物在高压低温条件下即可制备。因为水合物分解时需要吸收大量热量，且水合物和冰的热导率都很小，表面少部分水合物分解后生成的水也会凝结为一层冰膜，这层冰膜会减缓甚至阻止水合物进一步分解，从而产生自保护效应，在冷冻到-20℃到-15℃时，就能长时间保存。其高蓄能密度、制备容易、良好的自保护效应使得ngh能在常压低温条件下在绝热储罐中稳定存放。3.传统天然气储存方式多样化，主要有压缩天然气、液化天然气等方式。由于天然气的体积压力特性，以上两种方法储存运输成本远远高于石油，每单位能源储运成本约是石油的10倍。压缩天然气投资费用高、安全性差。液化天然气压力高、成本高。与上述传统方式相比，水合物储存法只需要较低的固定投资和运行费用就可以提高天然气储存的规模和效率，在做好绝热措施的情况下可以保证即使水合物分解也不会瞬间释放出大量气体而引起安全隐患。4.传统的储存运输装置难以避免水合物在储运过程中发生分解引起的问题，缺乏有效的安全保护和防泄漏措施，且需要卸载ngh后再将水合物气化，操作繁琐。由于目前针对水合物储存的装置结构还很不成熟，仍然存在着很多问题，如水合物分解再气化都需要增添额外设备来支持，增加了成本，为此提出一种天然气水合物储存和再气化装置及方法。技术实现要素：5.本发明的目的在于提供一种天然气水合物储存和再气化装置，该装置原理可靠，通过将天然气制成ngh（天然气水合物）颗粒达到储存、供应的目的，将颗粒状ngh储存于储罐中，需要供应天然气时再卸载气化，不需要添设额外的气化装置，不仅经济高效，且灵活方便、清洁环保。6.本发明的另一目的还在于提供利用上述装置进行天然气水合物储存和再气化的方法，该方法只需通过喷淋传热使得ngh颗粒吸热、升温、分解出天然气，即可完成气化实现ngh的卸载供应，安全可靠，有效防止泄露，受环境温度影响小，具有广阔的市场应用前景。7.本发明的目的通过以下技术方案来实现。8.一种天然气水合物储存和再气化装置，主要由装载储存系统和气化卸载系统组成。所述装载储存系统包括与储罐相连的自动循环制冷器、可折盘管和绝热耐压构造的储罐本体，所述储罐上部设置有填料阀。所述气化卸载系统包括喷淋装置、喷淋循环管道和排气管道。所述喷淋循环管道以底部排液支管为入口，循环管道上依次设置有疏水阀、循环泵、加热器、调节阀，以顶部喷淋装置为出口，且所述循环管道上还设置有一溢流管，此溢流管与排液支管共同通向排液干管，所述排气管道上设置有节流阀。9.所述自动循环制冷器与储罐通过可折盘管连接，可折盘管在储罐内共设有四层。10.所述ngh储罐中不同部位绝热层由不同性质的材料构成，分别为罐顶玻璃纤维隔热层、罐壁珍珠岩隔热层和罐底泡沫玻璃隔热层，并且罐壁珍珠岩隔热层由保温钉固定在镍钢內罐的外壁面上。11.利用上述装置进行天然气水合物储存和再气化的方法，依次包括以下步骤：s1、装载储存ngh过程：天然气水合物ngh在生产造粒端生成、脱水、降温降压并制成ngh颗粒后，从填料阀向储罐装载ngh颗粒，装载完成后，旋紧填料阀并启动自动循环制冷器为待机状态，使得ngh颗粒在储罐内常压低温储存；s2、气化卸载ngh过程：启动循环泵和加热器，排液支管内的少量液体经加热器升温后成为喷淋水从喷淋器向ngh颗粒均匀恒定喷淋，ngh颗粒受热后打破相平衡并分解为天然气和液态水，天然气通过排气管道排出，经由外输气压缩机、空冷器压缩并冷却后输入天然气管线，液态水和原有的喷淋水顺着ngh颗粒间缝隙汇流至排液支管，经循环泵和加热器升温升压后沿着管线继续喷淋，不断循环水喷淋传热和ngh受热分解过程。12.所述s1中，自动循环制冷器将可折盘管的温度作为储罐内的温度，一旦温度大于-15℃时制冷器将启动制冷，直至温度降低到-20℃，制冷器停止制冷并继续待机。13.所述s2中，ngh颗粒受热分解的液态水不构成杂质，将作为后续喷淋传热循环过程的介质源，因此排液支管中保有少量水即可启动ngh的气化卸载过程。14.所述s2中，通过调节阀调节喷淋水的流速，通过加热器设定加热温度，进一步调节ngh的气化速率。15.所述s2中，所述加热温度（传热介质水的水温）一般不超过60℃。16.与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：（1）ngh颗粒无法获取气化所需热量且受限于自保护效应，体积不可能在短时间内突然膨胀，安全可靠；（2）设置双层罐壁有效防止因內罐破裂引起的泄露污染，有利于环保；（3）常压储存的成本低、安全可靠、储能密度大，克服了压缩储气（cng）、液化储气（lng）的诸多缺点；（4）在需要气化ngh时使用，并且ngh分解的水作为中间传热介质参与气化传热循环，提高了ngh的分解效率；（5）卸货时即可自行气化，无需添设额外气化设备，能够有效降低设备投资成本、简化生产步骤。17.本发明的成功实施，不仅提供了能够承接天然气水合物生产和供应的新途径，也为水合物储气工业化提供了巨大的应用前景。附图说明18.图1为本发明天然气水合物储存和再气化装置结构示意图。19.图中：1-储罐，2-镍钢內罐，3-罐顶玻璃纤维隔热层，4-罐壁珍珠岩隔热层，5-罐底泡沫玻璃隔热层，6-碳钢外罐，7-混凝土底板，8-ngh颗粒，9-滤水元件，10-排液支管，11-溢流孔，12-溢流管，13-排液干管，14-疏水阀，15-循环泵，16-加热器，17-喷淋管，18-调节阀，19-喷淋器，20-排气管，21-除沫器，22-节流阀，23-填料阀，24-可折盘管，25-自动循环制冷器。具体实施方式20.下面结合附图对本发明具体实施方式及其对应能达到的有益效果进行详细的阐述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。21.一种天然气水合物储存和再气化装置，由装载储存系统和气化卸载系统组成。22.所述装载储存系统包括储罐1、可折盘管24和自动循环制冷器25，所述储罐顶部设置填料阀23，底部设置混凝土底板7；所述自动循环制冷器与储罐通过可折盘管连接，所述可折盘管在储罐内共设有四层；所述储罐为双层耐压结构，包含镍钢內罐2和碳钢外罐6，储罐不同部位绝热层由不同性质的材料构成，分别为罐顶玻璃纤维隔热层3、罐壁珍珠岩隔热层4和罐底泡沫玻璃隔热层5，所述罐壁珍珠岩隔热层由保温钉固定在镍钢內罐的外壁面。23.所述气化卸载系统包括喷淋循环管道及排气管道两部分，所述喷淋循环管道包括排液支管10、排液干管13、疏水阀14、循环泵15、加热器16、喷淋管17、调节阀18和喷淋器19，以位于储罐底部的排液支管为入口，随后依次设置疏水阀、循环泵、加热器和调节阀，以储罐顶部的喷淋器为出口，形成喷淋循环管道；所述排气管道包括排气管20和节流阀22，排气管从储罐顶部插入储罐内。24.所述ngh储罐为双层耐压结构，内罐材料由9%的镍钢制成，外罐材料由碳钢制成。25.所述排液支管10的入口安装滤水元件9，所述滤水元件完全包覆排液支管入口段，滤水元件由致密不锈钢滤网构成。26.所述排气管20的入口安装除沫器21，所述除沫器完全包覆排气管入口段，除沫器为金属丝网构成。27.所述储罐侧部设置溢流孔11，溢流孔连接溢流管12，溢流管与排液支管10共同汇入排液干管13，排液干管连接喷淋循环管道。28.所述溢流孔11设置在內罐侧壁上在比水合物颗粒顶层高5cm的位置，溢流孔也设有水合物颗粒无法侵入的致密不锈钢滤网。29.具体步骤过程如下：装载储存ngh过程：首先ngh在生产端生成、脱水、降温降压并制成ngh颗粒8后，依次旋紧疏水阀14、调节阀18、节流阀22，旋开填料阀23并连接输送管线，将ngh颗粒填充进储罐1中后，卸下输送管线、旋紧填料阀23，并将自动循环制冷器25设为待机状态，预先设定好制冷循环启动值为-15℃、制冷循环终止值为-20℃，从而完成ngh的装载储存。30.气化卸载ngh过程：依次关闭自动循环制冷器25，旋开调节阀18、节流阀22，启动循环泵15、加热器16并设定加热温度为40℃，此时排液干管13及排液支管10内的少量液体经循环泵15、加热器16增压升温后成为喷淋水从喷淋器19均匀恒定地喷淋至水合物颗粒层表面，ngh颗粒8吸热后打破相平衡并分解为水和天然气，天然气从储罐上部通过排气管20顺着管线经由外输气压缩机、空冷器压缩并冷却后输入外输天然气管线，从而实现ngh的卸载外输。31.本发明机理分析如下：经填料阀23装载后ngh颗粒8低温常压储存在ngh储罐1内，在储存过程中，由于隔热层良好的隔热效果阻绝外界的温度传递，使ngh颗粒保持稳定且仅有极低的分解率。在相同的质量下，ngh颗粒气化分解后的气态天然气会在罐芯内产生较大压力，內罐壁材料为耐用低温钢（即9%的镍钢）。外罐壁需具有足够强度承担储罐的载荷，故外罐材料采用碳钢，既能稳固保护隔热层又能防止ngh颗粒泄露扩散。32.经过脱水、降温和降压的ngh颗粒在ngh储罐内储存。储存压力为常压，储存温度为低温，以-20℃至-15℃最佳，当储存时间过长，受外界热传导影响导致储存温度升高，一旦温度高于-15℃时，自动循环制冷器25将自动启动制冷至-20℃以维持其储存温度。ngh颗粒无法获得分解需要的大量热量且受限于自保护效应，始终不会发生大量、完全、剧烈的分解，而仅仅会发生微小局部的部分分解，不会瞬间释放出大量气体而引起安全隐患。33.经由加热器16加热后的中间传热介质水喷淋至ngh颗粒层使得ngh受热分解，原有的喷淋水和新分解出的水顺着ngh颗粒间的缝隙汇流至排液支管10经由循环泵15和加热器16升温升压后沿着管线继续喷淋过程，不断循环水喷淋传热和ngh受热分解过程，最终完成ngh再气化。34.除沫器21完全包覆排气管20的入口段，ngh颗粒分解产物是天然气和液态水，部分水滴碰击到除沫器丝网上就会聚积起来，并向下沉降，防止水因内部压力随气体进入排气管造成外输气的污染。35.部分ngh颗粒进入排液支管则会堵塞管路，ngh颗粒分解还会生成天然气，降低循环泵15的性能，故在排液支管10入口段设置滤水元件9，防止ngh颗粒侵入排液支管引发上述不利情况。36.如果热量不够，中间传热介质水在ngh颗粒层受冷凝结会出现冻堵，进一步发生水滞留现象，在ngh储罐的侧部设有溢流孔11，滞留水流入溢流孔最终汇流至排液干管，不会影响后续喷淋水的正常传热，溢流孔能够防止流路封闭起到循环旁通的作用。37.由于本发明储存条件温和安全、投资运行成本低、储能密度大，其技术经济性远远优于管输法、压缩储气法（cng）及液化天然气法（lng），本发明具备工业化前景，具有极大的应用发展空间。38.以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。









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