一种基于水合物法储运天然气的装置及方法
技术领域
本发明涉及天然气储运领域，尤其涉及一种基于水合物法储运天然气的装置及方法。
背景技术
随着我国经济的高速发展，工业方面及民用方面的天然气用量迅速增加，这促使着在广大边远地区及海上大规模开发天然气气田。这些气田的天然气由于受地理因素以及环境因素，其储运过程面临着巨大的挑战。传统天然气的储运方式主要分为管道运输以及LNG方式，但是管道铺设及维护、LNG的制备及储存都存在投资巨大以及成本高昂等缺点。此外，我国许多油田都有大量的伴生凝析气，受储运经济性的限制，通常的处理方式是将其送高架火炬塔燃烧，既浪了费资源，又污染了环境。天然气水合物技术正是在这一背景下应运而生的。天然气水合物技术是将天然气由气态转化成固态水合物形式，使其便于运输以及重新转化为气态天然气。由于它显著降低了天然气储运费用，提高了天然气储运的经济性和安全性，受到了工业界的普遍重视。
与天然气的其他储运方式相比，水合物储运天然气具有工艺流程简单，技术安全，经济成本较其他储运方式更低等优势。水合物本身具有绝热效应，所以即使暴露于大气中，其分解受热传导的影响，气体的释放速率慢，即使点燃也燃烧缓慢，彻底抑制了由于天然气大量泄漏而可能导致的爆炸事故。并且在中等距离采用水合物储运形式相较于管输是最为经济的。但由于水合法储运天然气技术起步晚，有一些技术问题还没有解决，如高效的水合物生产工艺，优化水合物的生成条件(压力、温度、促进剂)等。
因此，亟需一种基于水合物法储运天然气的装置及方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术之不足，本发明提供一种工艺简单，生产效率高的利用水合物法储运天然气的装置及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于水合物法储运天然气的装置，包括天然气酸气分离单元和天然气水合物制备单元;
所述的天然气酸气分离单元包括依次管路连接的原料气储罐、进口分离器和吸收塔，所述吸收塔顶部连接有出口分离器，出口分离器的出口与天然气水合物制备单元连通，所述的吸收塔还连接有酸气处理单元;
所述的天然气水合物制备单元包括依次管路连通的储水罐、冰水制备装置、低压水合反应罐组、分离罐和水合物储存罐，所述的冰水制备装置的进口还连接有促进剂储罐，所述的分离罐底部具有冰水回收口，且冰水回收口与冰水制备装置的进水口连通，所述的出口分离器的出口则与低压水合反应罐组的入口相连，所述低压水合反应罐组的顶部出口则连通有氢气富集器。
进一步的，所述的低压水合反应罐组包括第一低压水合反应罐、第二低压水合反应罐、第三低压水合反应罐;所述的出口分离器的出口分别与第一低压水合反应罐和第二低压水合反应罐的的下部入口相连，第一低压水合反应罐的上部入口与冰水制备装置的出口相连;所述第一低压水合反应罐的底部出口与第二低压水合反应罐的上部入口相连，第一低压水合反应罐的顶部出口与第二低压水合反应罐的下部入口相连;第二低压水合反应罐的顶部出口与第三低压水合反应罐的下部入口相连，第二低压水合反应罐的底部出口与第三低压水合反应罐的上部入口相连，第三低压水合反应罐的底部出口与分离罐相连。
进一步的，所述的酸气处理单元包括闪蒸罐、过滤器、贫富液换热器、再生塔、回流收集器、重沸器和缓冲罐;所述的吸收塔底部的富液出口与闪蒸罐的入口相连，闪蒸罐的出口与过滤器的上部入口相连，过滤器的下部出口与再生塔的上部入口相连、且该相连管道途经贫富液换热器;再生塔的底部出口与重沸器的入口相连;重沸器的上部出口与再生塔的下部入口相连，重沸器的下部出口与吸收塔的上部入口相连、且该相连管道途经贫富液换热器，所述的缓冲罐连接在重沸器的下部出口与贫富液换热器的连接管路上。
进一步的，所述的吸收塔内设有14层塔板，所述的吸收塔上设有温度传感器和压力传感器;所述的再生塔内设有18层塔板，所述的再生塔上设有温度传感器和压力传感器;所述的重沸器和回流收集器上均设有压力传感器;所述的酸气处理单元内所有涉及的液相输送管道上均设有液体调压阀;所述的酸气收集器的输入管道上安装有气体流量计。
进一步的，所述的第一低压水合反应罐、第二低压水合反应罐、第三低压水合反应罐的结构相同，第一低压水合反应罐、第二低压水合反应罐、第三低压水合反应罐的罐体顶部均设有温度传感器，罐体的罐壁为双层结构，双层结构中间设有制冷装置，罐体内部则为螺旋式塔板;罐体内反应时气液两相为逆流式接触，冰水制备装置产生的冰水混合物从罐体的上部入口进入，气相从罐体的下部入口进入;所述的罐体顶部出口设有安全阀;所述的第三低压水合反应罐的顶部出口上还设有气体流量计;所述的低压水合反应罐组的气相管道均设有气体调节阀，液相输送管道均设有液体循环泵。
优选的，所述的天然气水合物制备单元中，工作压力范围为常压，温度为-15℃;冰水制备装置内冰水比例为1：1;促进剂储罐内的复配促进剂为氧化碳纳米管O-CNTS与十二烷基硫酸钠SDS，其添加浓度为：氧化碳纳米管水溶液的浓度为1g/L，十二烷基硫酸钠的水溶液浓度为230.704mg/L;天然气酸气分离单元中所用溶液为二乙醇胺DEA溶液。
优选的，所述的吸收塔中溶液温度控制在为46～46.5℃，压力控制在3.9～4.0MPa;所述的闪蒸罐压力控制为0.6MPa;所述的再生塔入口温度为90℃，出口温度为123℃,压力0.6MPa;所述的重沸器压力设置为210kpa，回流收集罐压力设置为180kpa。
一种基于水合物法储运天然气的装置，具有如下使用方法：
a、在天然气酸气分离单元中，原料气罐的原料气进入进口分离器，经分离后送入吸收塔，在吸收塔内反应后得到两股流，一股有吸收塔顶部引出的由甲烷与氢气组成的混合气态物流进入出口分离器，进入水合物制备单元;另一股是由反应装置内剩下的反应结束的溶液通过酸气处理单元处理;
b、在天然气水合物制备单元中，将由储水罐来水与水合物促进剂按比例混合，混合后的溶液进入冰水制备装置，制得的冰水混合物溶液通过溶液泵泵入低压水合反应罐组，在与酸气分离单元制备的来气反应后，形成的水合物与冰水的混合溶液，反应结束后，反应过后剩余的H2由塔顶流向富氢收集器，剩余所有水合物与冰水及水合物的混合液体从反应塔底部流出，进入分离器;天然气水合物固体经分离器分离进入水合物储存罐，剩余冰水与促进剂混合物由分离器底部出口输出，流入冰水制备装置。
更进一步的，在天然气酸气分离单元中，反应装置内剩下的反应结束的溶液流入闪蒸罐，由闪蒸罐进入过滤器，经过滤以后的溶液进入再生塔;进入再生塔的溶液经反应后分为两股，一股由再生塔顶部引出的酸气组成的气态物流，包括SO2和CO2，经回流收集罐以后进入酸气收集器;另一股反应后的溶液由再生塔底部进入重沸器，进入重沸器的溶液一部分经过加热后重新输回再生塔，另一部分通过溶液泵输回吸收塔。
更进一步的，在天然气水合物制备单元中，冰水制备装置值得的制得的冰水混合物溶液通过溶液泵泵入第一低压水合反应塔，在与酸气分离单元制备的来气反应后，形成的水合物与冰水的混合溶液由泵加压从第二低压水合反应罐上部进入;第一低压水合反应罐中未反应的气体通过反应罐顶部流出，与酸气分离单元制备的来气共同从第二低压水合反应罐下部送入，第二低压水合反应罐反应过程结束后，形成的水合物与冰水的混合溶液由泵加压从第三低压水合反应罐上部送入，第二低压水合反应罐中未反应的气体通过反应罐顶部流出并且从第三低压水合反应罐下部送入，第三低压水合反应罐反应结束后，反应过后剩余的H2由反应罐顶部顶流向富氢收集器，剩余所有水合物与冰水及水合物的混合液体从反应罐底部流出，进入分离器。
本发明的有益效果是：
(1)本发明在水合物制备单元中，采用的工作压力范围为常压，温度为-15℃，因此生产环节安全可靠。
(2)本发明采用了以氧化碳纳米管与十二烷基硫酸钠混合的复配促进剂，配合以三级反应器系统，大幅提升了水合物的生成效率，并且降低了能耗;这种复配促进剂环保无污染，不会对设备产生腐蚀性危害;并且氧化碳纳米管是可回收再利用型促进剂，大幅降低了水合物的生产成本。
(3)本发明采用水合物法储运天然气，在制备天然气水合物的同时，还可以单独提纯收集气体混合物中的H2。本装置及方法为水合法在实际生产中的推广具有重要的意义，也为水合物储运储运技术的工艺流程设计提供了重要参照。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明最优实施例的结构示意图。
图中1、促进剂储罐 2、冰水制备装置 3、出口分离器 4、吸收塔 5、进口分离器 6、闪蒸罐 7、过滤器 8、再生塔 9、重沸器 10、缓冲罐 11-1、第一低压水合反应罐 11-2、第二低压水合反应罐 11-3、第三低压水合反应罐 12、分离罐 13、安全阀 14、冰水回收口 15、回流收集罐 16、止逆阀 17、氢气富集器 18、酸气收集器 19、储水罐 20、水合物储存罐21、原料气储罐 22、贫液冷却器 23、贫液循环泵 24、溶液泵 25、贫富液换热器 26、气体流量计 27、气体调节阀 28、液体调压阀 29、温度传感器30、压力传感器 31、液体循环泵。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图仅以示意方式说明本发明的基本结构因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示一种基于水合物法储运天然气的装置及方法是本发明最优实施例。该装置包括天然气酸气分离单元和天然气水合物制备单元。
所述的天然气酸气分离单元包括依次管路连接的原料气储罐21、进口分离器5和吸收塔4，所述吸收塔4顶部连接有出口分离器3，出口分离器3的出口与天然气水合物制备单元连通，所述的吸收塔4还连接有酸气处理单元。
酸气处理单元包括闪蒸罐6、过滤器7、贫富液换热器25、再生塔8、回流收集器、重沸器9和缓冲罐10;所述的吸收塔4底部的富液出口与闪蒸罐6的入口相连，闪蒸罐6的出口与过滤器7的上部入口相连，过滤器7的下部出口与再生塔8的上部入口相连、且该相连管道途经贫富液换热器25;再生塔8的底部出口与重沸器9的入口相连;重沸器9的上部出口与再生塔8的下部入口相连，重沸器9的下部出口与吸收塔4的上部入口相连、且该相连管道途经贫富液换热器25，所述的缓冲罐10连接在重沸器9的下部出口与贫富液换热器25的连接管路上。贫富液换热器25与吸收塔4上部入口之间的管道上还设有贫液冷却器22和贫液循环泵23。
吸收塔4内设有14层塔板，吸收塔4上设有温度传感器29和压力传感器30。吸收塔4中溶液温度控制在为46～46.5℃，压力控制在3.9～4.0MPa。闪蒸罐6压力控制为0.6MPa再生塔8内设有18层塔板，再生塔8上设有温度传感器29和压力传感器30，再生塔8入口温度为90℃，出口温度为123℃,压力0.6MPa。重沸器9和回流收集器上均设有压力传感器30，重沸器9压力设置为210kpa，回流收集罐15压力设置为180kpa。酸气处理单元内所有涉及的液相输送管道上均设有液体调压阀28;酸气收集器18的输入管道上安装有气体流量计26。
所述的天然气水合物制备单元包括依次管路连通的储水罐19、冰水制备装置2、低压水合反应罐组、分离罐12和水合物储存罐20，所述的冰水制备装置2的进口还连接有促进剂储罐1，所述的分离罐12底部具有冰水回收口14，且冰水回收口14与冰水制备装置2的进水口连通，所述的出口分离器3的出口则与低压水合反应罐组的入口相连，所述低压水合反应罐组的顶部出口则连通有氢气富集器17。
低压水合反应罐组包括第一低压水合反应罐11-1、第二低压水合反应罐11-2、第三低压水合反应罐11-3;出口分离器3的出口分别与第一低压水合反应罐11-1和第二低压水合反应罐11-2的的下部入口相连，第一低压水合反应罐11-1的上部入口与冰水制备装置2的出口相连;第一低压水合反应罐11-1的底部出口与第二低压水合反应罐11-2的上部入口相连，第一低压水合反应罐11-1的顶部出口与第二低压水合反应罐11-2的下部入口相连;第二低压水合反应罐11-2的顶部出口与第三低压水合反应罐11-3的下部入口相连，第二低压水合反应罐11-2的底部出口与第三低压水合反应罐11-3的上部入口相连，第三低压水合反应罐11-3的底部出口与分离罐12相连。
第一低压水合反应罐11-1、第二低压水合反应罐、第三低压水合反应罐11-3的结构相同，第一低压水合反应罐11-1、第二低压水合反应罐11-2、第三低压水合反应罐11-3的罐体顶部均设有温度传感器29，罐体的罐壁为双层结构，双层结构中间设有制冷装置，罐体内部则为螺旋式塔板;罐体内反应时气液两相为逆流式接触，冰水制备装置2产生的冰水混合物从罐体的上部入口进入，气相从罐体的下部入口进入;罐体顶部出口设有安全阀13;第三低压水合反应罐11-3的顶部出口上还设有气体流量计26;低压水合反应罐组的气相管道均设有气体调节阀27，液相输送管道均设有液体循环泵31。同时，为了避免气相汇流，在出口分离器3为低压水合反应罐组供气的气相管道上还设有逆止阀16，同时第一低压水合反应罐11-1、第二低压水合反应罐11-2、第三低压水合反应罐11-3之间的气相管道上也设有逆止阀16，避免发生气体回流。
所述的天然气水合物制备单元中，工作压力范围为常压，温度为-15℃。冰水制备装置2内冰水比例为1：1。促进剂储罐1内的复配促进剂为氧化碳纳米管O-CNTS与十二烷基硫酸钠SDS，其添加浓度为：氧化碳纳米管水溶液的浓度为1g/L，十二烷基硫酸钠的水溶液浓度为230.704mg/L。天然气酸气分离单元中所用溶液为二乙醇胺DEA溶液。
基于上述装置，具体具有如下使用方法：
原料气储罐21来气，进入进口分离器5，由进口分离器5处理后从吸收塔4下部入口进入，在吸收塔4反应温度为46～46.5℃，压力为3.9～4.0MPa后，气相CH4、H2由吸收塔4顶部出口进入出口分离器3。
吸收塔4内反应过后的富液由底部出口流出，经液体调压阀28调压到0.6MPa，进入闪蒸罐6进行闪蒸，经过闪蒸的富液从过滤器7过滤后进入贫富液换热器25，温度升为90℃时再进入再生塔8，由再生塔8反应后温度为90～124℃时，贫液从再生塔8底部流出，进入重沸器9，重沸器9操作压力210kpa。
在重沸器9中一部分贫液经再加热后由下部入口输回再生塔8，另一部分贫液进入贫富液换热器25，换热后降温到80℃，再输入贫液冷却器22，冷却至38℃后再通过贫液循环泵23加压至4MPa,从吸收塔4上部入口输入吸收塔4。
吸收塔4中气相部分经过回流收集罐15后进入酸气收集器18。
在储水罐19)来水进入冰水制备装置2过程中，促进剂储罐1中的复配促进剂氧化碳纳米管水溶液浓度为1g/L，十二烷基硫酸钠水溶液浓度为230.704mg/L按比例加入原料水，经冰水制备装置2制备成比例1：1的冰水混合物后，通过溶液泵24泵入第一低压水合反应罐11-1，由出口分离器3处理后的混合气相(CH4、H2)从第一低压水合反应罐11-1下部进入;反应后气相从罐顶流出从底部进入第二低压水合反应罐11-2，固液相则是通过溶液泵24从第一反应罐底部泵入第二低压水合反应罐11-2;反应后流程如第一低压水合反应罐11-1，在第三低压水合反应罐11-3反应后，剩余气体从罐顶进入氢气富集器17，固液相则是通过溶液泵24从罐底部泵入分离器，经分离后天然气水合物输送进水合物储存罐20，剩余溶液则接入管道进行二次利用。
以上述依据本发明的理想实施例为启示通过上述的说明内容相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
