CN112523738B - 一种天然气水合物分离设备与工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天然气水合物分离设备和工艺，分离设备包括一个或多个旋流分离管和上下筒体。上下筒体通过隔板形成进料腔、溢流腔和集沙腔。旋流分离管的溢流出口与溢流腔相通，进料口位于进料腔，底流口与集沙腔相通。天然气水合物采出泥浆通过进料管口进入进料腔，经过旋流分离管的分离，天然气和天然气水合物连同部分水从溢流管排入溢流腔，天然气经排气管口进入天然气收集管；天然气水合物浆料经排出管口进入天然气水合物浆料收集管；泥沙连同部分水通过底流口排入集沙腔，经排沙管口排入水体。本发明分离设备结构和工艺简单，旋流分离管可以多管并联操作，旋流分离管可以灵活更换，满足天然气水合物采出浆料的除沙。

Description

一种天然气水合物分离设备与工艺

技术领域

本发明属于天然气水合物资源开采技术领域，尤其是天然气水合物固态流化法开采工艺中天然气水合物的除沙。

背景技术

天然气水合物是一种新兴能源，储量巨大，广泛分布于深海海底和陆域永久冻土中，由甲烷等烃类气体和水结合成的笼型水合物。由于其主要在海底以分散型形态出现，与泥沙弱胶结，非成岩，矿层稳定性差，常规开采方法存在很大问题。专利号CN103628844A提出的固态流化开采工艺，通过原位开采，破碎水合物颗粒，不改变海底温度和压力，在密闭的管道空间内实现水合物浆体的举升自分解，再上输到海平面进行气液固分离。整个工艺过程可控性高，避免大量水合物直接分解，从而避免了对环境的危害。但由于水合物浆体含泥沙量大，直接输送能耗大，管路易磨损堵塞，需要井下原位分离装置对水合物与泥沙初步分离，预分离得到的水合物随海水输送至海平面，而分离出的泥沙回填至固态开采层，保证采空区域储层稳定。

水合物矿浆经采出后，经海水混合引射，由于环境的波动，有少量天然气分解，呈固-固-气-液四相状态，固相浓度高，常规分离装置难以适应海底工况。专利CN207296973U提出一种并联式天然气水合物原位分离装置，通过将数个分离短节连接起来提高处理量。专利CN208456574U提出一种带螺旋稳定锥的井下原位分离装置，通过在旋流分离管内设置螺旋导流板和稳定锥强化分离效果。现有提出的这些原位分离装置一则结构过于复杂，操作不灵活，无法保证不同工况下良好的分离效果，且处理量小，适应性差。二是排沙通道狭小，排沙困难，长时间易堵塞管道。还有不能很好的处理回收少量已经分解的天然气，天然气滞留在旋流器中减少了固相分离空间，且容易形成气阻，严重影响分离效果。

发明内容

为克服以上技术不足，本发明专利基于固态流化法天然气水合物原位开采工艺，提出一种新型天然气水合物旋流分离设备，用于天然气水合物浆料的原位除沙处理。

本发明提供如下技术方案：

一种天然气水合物分离除沙装置。该分离装置结构简单，灵活，分离效果好，安装方便，能适应不同处理量需求，实现天然气水合物浆料除沙，同时尽可能地回收天然气。

一种天然气水合物分离设备，包括上下对合形成对合空间的上筒体与下筒体，对合空间内部由上隔板和下隔板分隔为由上到下的三个腔室，分别为溢流腔、进料腔和集沙腔；溢流腔的上部为集气腔，下部为混合浆料腔；

集气腔顶部设置有排气管口，混合浆料腔设置有排出管口，进料腔设置有与排出管口不同侧的进料管口，集沙腔底部设置有排沙管口；

对合空间内部设置有由上隔板和下隔板支撑的一个或多个并联的旋流分离管；

旋流分离管包括上下连接贯通的圆柱筒段和锥筒段；圆柱筒段上端口插入有溢流管，溢流管顶部的溢流出口与溢流腔相通；圆柱筒体的顶部侧壁上开设有切向的位于进料腔中的进料口，锥筒段底部设有与集沙腔相通的底流口。

进一步地，旋流分离管的圆柱筒段的高度与圆柱筒段内腔直径之比为0.8～1.5。

进一步地，旋流分离管的锥筒段的内腔母线为直线或曲线。

进一步地，溢流管下端的溢流口伸入圆柱筒段内，溢流口的直径与圆柱筒段内腔直径之比为0.15～0.25。

进一步地，溢流管插入圆柱筒段内的长度与圆柱筒段内腔直径之比为0.8～1.25。

进一步地，所述溢流管与圆柱筒段之间设置溢流盖封堵。

进一步地，所述溢流盖由上隔板压紧在旋流分离管的圆柱筒段的上口处。

进一步地，所述溢流管顶部的溢流出口位置高于混合浆料的排出管口。

进一步地，溢流管与上隔板间的间隙和/或锥筒段与下隔板的间隙由密封圈密封。

一种天然气水合物分离工艺，含有天然气水合物、天然气、泥沙和水的泥浆通过进料管口进入进料腔，并经各个进料口分配进入到各对应的旋流分离管；经过旋流分离管的分离，天然气和天然气水合物连同部分水从旋流分离管的溢流管排入溢流腔，并且，天然气和天然气水合物浆料迅速分层，天然气集中在上面的集气腔，并经过集气腔顶部的排气管口进入天然气收集管；天然气水合物浆料沉在下面的混合料浆腔，并经过混合浆料排出管口进入天然气水合物浆料收集管；泥沙连同部分水通过旋流分离管底部的底流口排入集沙腔，并经过集沙腔底部的排沙管口排出。

进一步的，溢流管顶部的溢流出口位置的高度高于天然气水合物排出管口。由于重力作用，液相向下流占据溢流腔下部，气相密度小占据溢流腔上部，保证气相不会从水合物和水的排出管口流出。

进一步的，如果针对不同处理量要求，可以安装不同数量的旋流分离管。旋流管使用磨损后可卸下重新更换。当一个旋流分离管可以满足要求时，可以不设进料腔和集沙腔，旋流分离管进料口直接连进料管口，底流口直接排沙。

本发明所达到的有益效果：

本发明通过隔板分离不同腔体，各相回收互不干扰，结构简单可靠，充分利用旋流分离特性，不仅能适应不同处理量，操作弹性良好，排沙方便，而且能有效回收部分已分解的天然气，解决了现有技术中的分离设备气相回收效率低、天然气滞留在旋流腔内形成气弹、排沙困难等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面提供该天然气水合物分离设备的整体结构图，

图1为该设备的整体结构示意图。

图2为设备内旋流分离管的结构示意图。

图中标记说明：1-下筒体，2-进料管口，3-上筒体，4-进料腔，5-天然气水合物和水的混合料浆腔，6-气液相界面，7-集气腔，8-排气管，9-上隔板，10-溢流出口，11-O型密封圈，12-天然气水合物和水的混合浆料排出管口，13-溢流口，14-旋流分离管，15-筒体锥段，16-下隔板，17-集沙腔，18-排沙管口，19-进料口，20-溢流管，21-溢流盖，22-圆柱筒段，23-锥筒段，24-底流口。

具体实施方式

为使本天然气水合物分离装置的结构优点能更加清晰的表达，下面结合图1-2对本装置功能特点进一步说明。

如图1和图2所示，天然气水合物分离设备包括上筒体3、下筒体1和设置在上筒体3、下筒体1对合空间内部的一个或多个并联的旋流分离管14，对合空间内部由上隔板9和下隔板16分为由上到下的三个腔室，即溢流腔、进料腔4和集沙腔17。上、下筒体之间用法兰连接形成对合空间。上隔板9焊接在上筒体3的下端。下隔板16焊接在下筒体1的圆筒内壁上。上筒体3和上隔板9间形成溢流腔。溢流腔的上部为集气腔7，下部为天然气水合物和水的混合浆料腔5。下筒体1通过下隔板16自上而下将下筒体1分为进料腔4和集沙腔17。上下筒体的每个腔壁上相应地有排气管口8、天然气水合物和水的混合浆料排出管口12、进料管口2和排沙管口18。进料腔4与溢流腔及集沙腔17可采用O型圈11密封，但不仅限于O型圈密封。

旋流分离管14包括上下连接贯通的圆柱筒段22和锥筒段23。圆柱筒体22的侧壁上开设有切向的进料口19，锥筒段23底部设有底流口24。圆柱筒段22上端口中插入有溢流管20，溢流管20下端的溢流口13伸入圆柱筒段22内。溢流管20顶部的溢流出口10与溢流腔相通，进料口19位于进料腔4，底流口24与集沙腔17相通。溢流管20与圆柱筒段22之间设置溢流盖21封堵。

旋流分离管14的圆柱筒段22的高度与圆柱筒段22内腔直径之比为0.8～1.5。旋流分离管14的锥筒段23的内腔母线可以为直线，但不仅限于直线。

溢流口13的直径与圆柱筒段22内腔直径之比为0.15～0.25。溢流管20的插入深度与圆柱筒段22内腔直径之比为0.8～1.25。

旋流分离管的圆柱筒段22和锥筒段23主体设置在进料腔4中，圆柱筒段22上部的溢流管20穿过上隔板9延伸进入天然气水合物和水的混合料浆腔5，锥筒段23底部的底流口24穿过下隔板16延伸经集沙腔17伸入集气腔7中，由上隔板9、下隔板16对旋流分离管14形成支撑固定。溢流盖21由上隔板9压紧在旋流分离管圆柱筒段22的上口处，并用O型密封圈11密封溢流管20与上隔板9的间隙。旋流分离管锥筒段23底部的底流口24穿过下隔板16，旋流分离管锥筒段23下端有环形外缘，下端贴紧下隔板16，同时也用O型圈密封与下隔板16的间隙。溢流管20管长延伸至集气腔7，使顶部的溢流出口10高于水合物排出管口12。

根据不同处理量，调整并联旋流分离管14个数。当一个旋流分离管可满足处理量要求时，进料管线接分离管进料口19，不设进料腔4和集沙腔17，底流口24直接外排。旋流分离管9磨损后可以卸下更换。

本分离设备的工作原理过程：

整个设备安装在海底，但不限于海底，水合物矿藏经过海底采掘，破岩滚筒破碎，筛网过滤，海水引射，泵送等工序后，形成气液固水合物浆体，由密闭管道输送，经进料管口2进入进料腔4内并分配到各个旋流分离管14，从各个旋流分离管14进料口19进入旋流分离管14，浆体在旋流分离管内形成旋转流，由于旋流场作用，不同相沉降方向不同，泥沙密度最大，向壁面沉降，经底流口24排出，聚集在集沙腔17中，最后由排沙管口18排入水体。水合物相径向向内沉降，从溢流管20排出，进入天然气水合物和水的混合料浆腔5，后由天然气水合物和水的混合料浆排出管口12流向后续管道进一步举升至海平面处理。

天然气气相也从溢流出口10排出至集气腔7，经排气管8排出。气相与水合物相密度相对介质小，大部分从溢流口排出，实现分离，由于分离管内超重力场的作用，料浆中天然气气泡在分离管轴线附近聚结形成大气柱，且气液两相密度差大，从溢流出口10排出后能迅速与液体分层，占据集气腔7，而不会与液相形成泡状流，混夹在液相中。同时由于溢流管20高度高于天然气水合物和水的混合料浆排出管口12，使得形成的气液相界面6高于天然气水合物和水的混合料浆排出管口12，从而气相只从排气管8排出。

本天然气水合物分离设备结构经适当的尺寸调整后，也可用于水合物浆体举升至海平面后，在海上支持平台上对举升后的气液固多相混合物进一步气液分离，由于水合物浆体举升至海平面后大量分解成天然气，此时混合物以气相为主，同时还有部分泥沙和水。把本分离装置安装在海洋平台上，混合物举升到海平面上后先接入带压重力沉降器沉降大部分泥沙，进料管口2接重力沉降器排出管道，通过本分离装置进一步气液分离。可适当增大排气管8直径，扩大集气腔7的空间以收集大量天然气，排气管8可直接接入常规天然气处理装置进一步分离提纯。同时减少天然气水合物和水的混合料浆排出管口12直径，从而减小混合料浆腔5空间，通过天然气水合物和水的混合料浆排出管12排出海水，通过进一步处理后可排放大海。底流口24分离出的泥沙进入集沙腔17，接入排沙管道，通入海底原位回填。

天然气水合物分离工艺过程为：

含有天然气水合物、天然气、泥沙和水的泥浆通过下筒体1上的进料管口2进入进料腔4，并经进料口19分配进入到各个旋流分离管14。经过旋流分离管14的分离，天然气和天然气水合物连同部分水从旋流分离管14的溢流管20排入上筒体3的溢流腔，此间，天然气和天然气水合物浆料迅速分层，天然气集中在上面的集气腔7，并经过上筒体3上的排气管口8进入天然气收集管；天然气水合物浆料在下面的天然气水合物和水的混合料浆腔5，并经过上筒体3上的天然气水合物和水的混合浆料排出管口12进入天然气水合物浆料收集管；泥沙连同部分水通过旋流分离管14上的底流口24排入下筒体1的集沙腔17，并经过下筒体1上的排沙管口18外排。

本发明的分离设备保证了其内流场的稳定性，并借助旋流分离的天然气气泡的内在聚结和气液两相的密度差特性，可以有效地分离出天然气。

以上所述仅为本发明的两种实施方式，本发明的保护范围并不仅限于此，但凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干修改和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种天然气水合物分离设备，其特征是，包括上下对合形成对合空间的上筒体与下筒体，对合空间内部由上隔板和下隔板分隔为由上到下的三个腔室，分别为溢流腔、进料腔和集沙腔；溢流腔的上部为集气腔，下部为混合浆料腔；

集气腔顶部设置有排气管口，混合浆料腔设置有排出管口，进料腔设置有进料管口，集沙腔底部设置有排沙管口；

对合空间内部设置有由上隔板和下隔板支撑的一个或多个并联的旋流分离管；

旋流分离管包括上下连接贯通的圆柱筒段和锥筒段；圆柱筒段上端口插入有溢流管，溢流管顶部的溢流出口与溢流腔相通；圆柱筒段的顶部侧壁上开设有切向的位于进料腔中的进料口，锥筒段底部设有与集沙腔相通的底流口；

旋流分离管的圆柱筒段的高度与圆柱筒段内腔直径之比为0.8～1.5；

旋流分离管的锥筒段的内腔母线为直线或曲线；

溢流管下端的溢流口伸入圆柱筒段内，溢流口的直径与圆柱筒段内腔直径之比为0.15～0.25；

溢流管插入圆柱筒段内的长度与圆柱筒段内腔直径之比为0.8～1.25；

所述溢流管与圆柱筒段之间设置溢流盖封堵；

所述溢流盖由上隔板压紧在旋流分离管的圆柱筒段的上口处；

所述溢流管顶部的溢流出口位置高于混合浆料的排出管口；

溢流管与上隔板间的间隙和/或锥筒段与下隔板的间隙由密封圈密封。

2.一种使用权利要求1所述的天然气水合物分离设备的天然气水合物分离工艺，其特征是，含有天然气水合物、天然气、泥沙和水的泥浆通过进料管口进入进料腔，并经各个进料口分配进入到各对应的旋流分离管；经过旋流分离管的分离，天然气和天然气水合物连同部分水从旋流分离管的溢流管排入溢流腔，并且，天然气和天然气水合物浆料迅速分层，天然气集中在上面的集气腔，并经过集气腔顶部的排气管口进入天然气收集管；天然气水合物浆料沉在下面的混合料浆腔，并经过混合浆料排出管口进入天然气水合物浆料收集管；泥沙连同部分水通过旋流分离管底部的底流口排入集沙腔，并经过集沙腔底部的排沙管口排出。

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