CN107542431A - 一种天然气水合物海底气‑液‑固多相流化分离的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海天然气水合物开采过程中所涉及的气‑液‑固多相分离系统，主要包括流化床、进料锁斗、旋风分离器、砂粒锁斗、气体分布板、加热板和控制阀等。首先水合物沉积物经机械破碎成水合物颗粒并与适量海水混合形成水合物浆体储存于进料锁斗中，水合物浆体再通过进料闸阀进入流化床内；而流化气甲烷则通过流化床底部经气体分布板进入流化床内；水合物颗粒、海水和流化气在流化床内形成稳定的气‑液‑固多相流态化；水合物颗粒在高温海水和内加热构件作用下发生热分解并释放出甲烷气体，粗甲烷气体经旋风分离器进一步分离后输送至海上平台，而分解残留的泥沙经砂粒锁斗回填至海底。

Description

一种天然气水合物海底气-液-固多相流化分离的方法

技术领域

本发明涉及一种深海浅层天然气水合物海底开采、分解和分离的一种方法。

背景技术

随着煤、石油、天然气等常规能源的日益减少，促使人们开始寻求各类可替代的能源。作为非常规能源之一的天然气水合物因其储量大、分布广、清洁，被认为是一种重要的潜在能源。根据国际天然气潜力委员会的初步统计，世界各大洋天然气水合物的总量换算成甲烷气体约为1.8～2.1×10¹⁶m³，大约相当于全世界煤、石油和天然气等总储量的两倍。据测算，我国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量，约相当于中国陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。中国、日本、美国等先后制定了水合物勘探计划，尤其是日本已于2013年3月在其东南部海域进行了天然气水合物试采，首次从海域天然气水合物藏中分离出甲烷。

现有在研天然气水合物的开采方法很多，包括热激开采、减压开采、CO₂置换开采和固体开采，但是这些方法都存在一定的局限性，热激开采的能耗过高，降压开采不能实现连续稳定生产，CO₂置换的效率过低，而固体开采输送到海面的能耗成本又太高。日本在现有原油开采技术的基础上通过抽提天然气水合物层的水达到降低水合物层的压力从而实现水合物的溶解和分解，以提高岩层沙粒中水合物的渗透性和流动性，但因该技术不能保证水合物开采过程的稳定性和连续性，仍未能实现工业化规模开采。大连理工大学刘瑜等人开发的“一种安全高效的海洋天然气水合物降压分解开采装置和方法”(CN201410098311.6)，主要是增加出砂装置和气水分离装置来防止减压开采过程中砂粒和二次生成水合物堵塞管道，该方法主要适用于成岩水合物的开采，且在开采过程中不能提高水合物的分解速度。哈尔滨工程大学蒋运华等人提出的“天然气水合物快速热激发开采装置”(CN201410475887.X)，采用纳米铝粉与冰反应产生的热可以快速加热水合物沉积物，使其快速分解。但是该方法需要大量的铝粉作为热源，会污染海底环境，成本也高。中国海洋石油总公司周守为提出的“深海海底浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法”(CN201310596104.9)，提出使用固态形式采掘天然气水合物沉积物后将其粉碎为小颗粒，再与海水混合以气-液-固多相混合物流的形式提升至海上进行分离和处理。首先，该方法需要将水合物与砂粒、海水一起提升至海上，将无价值的砂粒和海水输送至海上作业平台会极大地增加能耗成本；其次，在气-液-固多相流管输过程中存在相态变化，很难实现稳态输送。

综上所述，无论是开采过程中砂粒和水合物的堵塞问题还是甲烷的稳定生产及开采的能耗成本问题，在现有在研开采技术中均未能得到有效解决。另外，海洋生态和环境的有效保护也是海洋天然气水合物开采需要考虑的重要问题。因此，亟需一种安全、高效、经济的海洋天然气水合物开采技术，特别是海底天然气水合物的分离方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种深海天然气水合物海底分离绿色开采的方法。该方法不仅可以显著提高水合物的饱和度，保障开采的稳定性，减轻海上分离强度，减少管输能耗，降低开采成本，同时可以避免海洋生态和环境的破坏，保证开采的安全性。该方法利用高效传热设备多相流化床进行甲烷气体-高温海水-含沉积物的固体水合物的多相分离，用高温海水作液相流体提供热源，用内加热构建提供辅助热源，用分解出的甲烷气体提供流化介质，用流化床提供水合物的分解场所，从而实现气-液-固的多相分离。海水和砂粒可快速回填至海底，以防止水合物开采过程中引起的海底塌陷，同时可降低开采过程中的能耗成本。该方法不仅可以充分利用高温海水的热量，减少开采过程所需的外加热量，还可使水合物分解残留的海水及砂粒快速回填至海底，降低水合物开采过程中海底塌方的危险，对我国深海天然气水合物的开采具有重要的现实意义。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种天然气水合物海底气-液-固多相流化分离的方法的基本原理是水合物沉积物经机械破碎成水合物颗粒后，将含砂粒的水合物与海水混合形成水合物浆体，用甲烷气体作流化气，使含有水合物、砂粒及海水的水合物浆体在流化床内与流化气形成气-液-固多相流态化。水合物颗粒在高温海水和内加热构件的高温作用下发生分解，分解产生的粗甲烷气体以气泡形式穿过液相聚集在流化床顶部，残留的砂粒和海水沉积于流化床底部，从而实现了甲烷气体与砂粒和海水的分离。其技术方案为：甲烷气体作流化气从流化床底部气体进口进入流化床再经气体分布板与海水和水合物颗粒发生充分接触均匀混合形成稳定的多相流态化，水合物颗粒在流化床内实现高效的热质传递过程快速分解，分解后的甲烷气体聚集在流化床顶部，再经气体出口蝶阀进入旋风分离器。粗甲烷气经旋风分离器分离后，从顶部排出再经管输至海上作业平台，而砂粒和海水则直接排入大海回填，从而实现了天然气水合物中甲烷气体与海水和砂粒的海底分离。

天然气水合物海底气-液-固多相分离系统的主要优点表现在：(1)流化床处理量大，结构简单、温度分布均匀、操作弹性大且稳定；(2)流化床中水合物颗粒表面的相际界面更新快，传热、传质速率高，水合物颗粒的分解速率快，甲烷产量高，能耗低；(3)在流化床中实现了甲烷气体、砂粒以及海水的多相流化分离，分离出的砂粒和海水可快速回填至海底，降低了海底塌方等的危险。(4)利用高温海水作为加热介质，实现了能量的有效利用，大大降低了开采成本。

本发明是一种深海天然气水合物开采过程中所涉及的利用气-液-固多相流化床进行天然气水合物海底分离的方法，进一步的工艺流程包括以下步骤：

1.水合物沉积物首先经机械破碎形成水合物颗粒，水合物颗粒再与海水混合形成含有砂粒的水合物颗粒和海水的水合物浆体，水合物浆体通过管路输送至进料锁斗，再经进料锁斗下方的进料闸阀从流化床顶部进料口送至流化床内，其进料量由进料闸阀控制。

2.甲烷流化气从流化床底部进气口进入流化床中，经气体分布板均匀布气后在流化床内与水合物颗粒和海水混合，形成稳定的气-液-固多相流态化，在高温海水和内加热板加热条件下，水合物颗粒快速分解产生大量粗甲烷气体，粗甲烷气体穿过液相在流化床顶部聚集，而水合物颗粒分解残留的砂粒和海水则从流化床底部排渣口排出。流化床底部的气体分布板其主要作用是促进流化气在流化床内的均匀分布，保障流化床内多相流化的稳定性，避免出现大气泡或沟流等。流化床内置的加热板则主要是用于提供水合物颗粒分解所需的部分热量。

3.流化床顶部排出的粗甲烷经气体出口蝶阀进入旋风分离器。在旋风分离器内，粗甲烷气体中夹带的少量砂粒与甲烷气体实现气-固分离，得到纯净的甲烷气体。纯甲烷气体从旋风分离器顶部排出由管道输送至海上作业平台，而砂粒则从旋风分离器底部排出回填至海底。

4.水合物分解后残留在流化床底部的砂粒经出口排渣闸阀收集于砂粒锁斗中，并通过砂粒锁斗排入大海回填。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的是用气-液-固多相流化床进行海洋天然气水合物海底分离的方法，可充分利用流化床传热、传质效率高、温度分布均匀、处理量大、结构简单、操作弹性大等优点，在流化床中实现水合物的稳态分解及甲烷气体与砂粒和海水的分离，有效减少海洋天然气水合物的开采分离的过程能耗，降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需使用的附图作简单介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明海洋天然气水合物海底气-液-固多相流化分离的工艺流程示意图。

图2为多相流化床的设备结构示意图。

图1标记说明：1、水合物浆体；2、进料锁斗；3、进料闸阀；4、流化床；5、加热板；6、流化气；7、气体分布板；8、粗甲烷气体；9、气体出口蝶阀；10、旋风分离器；11、纯甲烷气体；12、砂粒；13、排渣闸阀；14、砂粒锁斗；15、砂粒与海水。

图2标记说明：1、水合物浆体；2、流化气；3、加热板；4、气体分布板；5、粗甲烷气体；6、砂粒和海水。

具体实施方式

为更好的说明本发明，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明具体实施实例提出的一种天然气水合物海底气-液-固多相流化分离的方法中的设备主要包括流化床(4)、进料锁斗(2)、旋风分离器(10)、砂粒锁斗(14)、气体分布板(7)、加热板(5)、进料闸阀(3)、气体出口蝶阀(9)和排渣闸阀(13)。所涉及的物料主要包括水合物浆体(1)、粗甲烷气体(8)、纯甲烷气体(11)、甲烷流化气(6)、砂粒(12)(15)。其中，流化床(4)是本发明的核心设备，是水合物颗粒分解以及气-液-固三相分离的重要场所；流化床中的分布板(7)用于流化气的均匀布气；流化床中的加热板(5)用于提供水合物分解所需的部分热量；进料锁斗(2)用于存储原料水合物浆体；砂粒锁斗(14)用于储存流化床中排出的残留砂粒和海水；阀门(3)(9)(13)分别用于控制水合物浆体、粗甲烷气体及砂粒的流量；旋风分离器(10)用于粗甲烷气体(8)的提纯净化，分离出粗甲烷气体中带有的少量砂粒。

本发明的天然气水合物海底气-液-固多相流化分离的方法的具体步骤包括：

1.浆体水合物(1)先输送至进料锁斗(2)中储存备用，通过调节进料闸阀(3)的开度来控制水合物进入流化床(4)中的进料量。

2.流化气(6)从流化床底部经气体分布板(7)均匀布气后进入流化床(4)内，与流化床顶部加入的水合物浆体均匀混合，形成稳定的气-液-固多相流态化，水合物颗粒在流化过程中不断分解释放出甲烷气体。流化气(6)主要来源于纯甲烷气体(11)回流的部分气体，流化气(6)的流速必须高于水合物颗粒流化所需的临界流化速度，但低于水合物颗粒和砂粒的带出速度。

3.水合物颗粒在流化床内高温海水和加热板(5)加热条件下发生分解释放出粗甲烷气体(8)。残留的砂粒及海水通过流化床底部的排渣口排出，通过排渣闸阀(13)收集于砂粒锁斗(14)中。在流化床(4)中实现了水合物颗粒的分解以及甲烷气体、砂粒和海水的气-液-固多相分离。

4.流化床顶部聚集的粗甲烷气体(8)用旋风分离器(10)进行提纯分离出夹带的少量砂粒。粗甲烷气体(8)经气体出口蝶阀(9)进入旋风分离器(10)中，经旋风分离器(10)分离后的纯甲烷气体(11)通过旋风分离器顶部输出，部分气体经循环压缩后作流化气(6)使用，而另一部分则管输至海上作业平台，砂粒(12)从旋风分离器底部排出回填至大海。

5.水合物分解后残留在流化床(4)底部的砂粒和海水(15)经排渣闸阀(13)收集于砂粒锁斗(14)排入大海回填。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.本发明所述的多相流化床具有处理量大、结构简单、操作弹性大等优点，对含有砂粒的水合物颗粒、海水及甲烷气体的复杂物料体系具有良好的适应性，能够保证连续稳态的生产过程。

2.本发明利用流化床传热传质效率高、温度分布均匀、水合物颗粒在流化床内流化过程中表面更新快等特点，实现了水合物颗粒的快速稳定分解，释放出甲烷气体，有效降低了海洋天然气水合物开采过程所需的能耗。

3.本发明利用流化床的多相流动特点，在流化床中实现了甲烷气体、砂粒以及海水的多相流化分离，分离出的砂粒和海水可快速回填至海底，降低了海底塌方，海洋生态环境破坏等危险。

4.本发明充分利用高温海水作加热介质，降低海洋天然气水合物开采过程中的能耗成本，同时利用内置加热板作辅助热源为水合物分解过程提供热量，有效地强化了多相传热过程。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种天然气水合物海底气-液-固多相流化分离的方法，包括流化床、进料锁斗、旋风分离器、砂粒锁斗、气体分布板、加热板和控制阀，其特征在于：所述水合物沉积物首先经机械破碎后形成水合物颗粒，含砂粒的水合物颗粒与海水混合后形成水合物浆体，水合物浆体存储于进料锁斗中，通过进料闸阀控制其进入流化床中的流量，甲烷作流化气由流化床底部进气口进入后再经气体分布板进入流化床。

2.根据权利1中所述一种天然气水合物海底气-液-固多相流化分离的方法，其特征在于：所述水合物浆体在流化床中在甲烷气体的流化作用下，形成稳定的气-液-固多相流态化，水合物颗粒在高温海水和加热板的热分解作用下释放出甲烷气体，甲烷气体以气泡形式穿过液相在流化床顶部汇聚，残留的砂粒和海水沉积于流化床底部，从而在流化床中实现了甲烷气体与砂粒和海水的分离。

3.根据权利2中所述一种天然气水合物海底气-液-固多相流化分离的方法，其特征在于：所述聚集在流化床顶部的粗甲烷经气体出口蝶阀进入旋风分离器内，在旋风分离器中甲烷气体与气体夹带的少量砂粒分离，从旋风分离器顶部得到纯净的甲烷气体，而砂粒则从旋风分离器底部排出。

4.根据权利2中所述一种天然气水合物海底气-液-固多相流化分离的方法，其特征在于：所述多相流化床中残留的砂粒和部分海水从流化床底部排渣口排出，通过排渣闸阀收集于砂粒锁斗中再回填至大海。

5.根据权利1中所述一种水合物海底气-液-固多相流化分离的方法，其特征在于：所述流化床中的气体分布板主要是用于流化气在流化床内的均匀分布。

6.根据权利2中所述一种天然气水合物海底气-液-固多相流化分离的方法，其特征在于：所述流化床内的加热板主要是为水合物颗粒分解过程提供辅助热量。