TW445256B - Gas hydrate storage reservoir - Google Patents

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TW445256B
TW445256B TW087117067A TW87117067A TW445256B TW 445256 B TW445256 B TW 445256B TW 087117067 A TW087117067 A TW 087117067A TW 87117067 A TW87117067 A TW 87117067A TW 445256 B TW445256 B TW 445256B
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hydrate
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Robert Frederick Heinemann
David Da-Teh Huang
Jinping Long
Roland Bernard Saeger
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Mobil Oil Corp
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Description

445256 五、發明說明（i)
氣化氣體水合物之裝置與方 f以至少部份處於地下為 二谷許鼠體水合物被陽光照 蓋元件以控制被儲存水合物 這些水合物包括各種輕烴或 ’乙貌，丙烧，丁烧，二氧 合物’在高壓與低溫下與水 為延展出包含氫鍵結合水分 著於内。水合物結構因受到 以及晶格結構水分子間之氫
I發明係關於—種儲存 法。本發日之；J 較佳’附有陽光可射穿頂； 射產生再氣化作用。另 被陽光的照射。 ^供遮 氣體水合物已為人知多年。 其它氣體’例如天然氣，甲烷 化碳，硫化氣，氮氣，與其組 行物理反應所生化合物。氣體 子之固體水晶格網路包含或陷 氣體與水分子間弱凡得瓦力， 鍵結而穩定。 目前至少已知有雨接 曰is a in 兩種不同的水合物結晶構造，各為一種 日曰a〜ea 構造I的晶籠水合物單晶體，在每4 6水 分子中，含2個十四面體空穴及6個十二面體空穴。構造H 的籠水合物單位晶體，在每1 36個水分子中，含8個大的 十六面體空穴及16個十二面體空穴。在這些空穴中，相當 大量的氣體可在觉壓下陷著其中。舉例而言，目前已測得 天然氣水合物的每立方英呎固體天然氣水合物内，可以容 納高達180標準立方英呎的氣體。 氣體水合物在早期被視為製造麻煩之工業廢物。石油與 天然氣生產設備多數位於寒冷環境，而其產物更位於地下 深處或地下水井令。當開鑿這些井時，所有產生氣體水合 物的必要原料及條件均出現，亦即，輕烴氣體與水存在’
445256 五、發明說明（2) 溫度低，壓力高·>因此，在開鑿出油井或天然氣體後，氣 體水合物會自發性的在鑽井管件，運輸管件，與設備上產 生。由於這些氣體水合物為固體狀態原料，不會以濃漿料 ，固體形態輕易流動’因此當其自發性出現在石油或天然 氣生產過程中時’往往會對設備，管件，以及生產與輸送 系統的通道中產生阻塞。因為氣體水合物的這些不利的性 質，故導引出許多抑制水合物生成與去除此項麻煩廢物方 法之研究。參考例如D· Katz等人所著i，Handb〇〇k Natural Gas" McGraw-Hill, New York (1959) pp. 189 221, E.D. Sloan, Jr., "Clathrate Hydrates of
Natural Gases", Marcel Dekker, Inc, (1991)。 然而’因為氣體水合物具有能夠儲存相當大量氣體之潛 力’使得後來許多研究人員開始正視此”麻煩廢物"為一可 能性甚高之安全與成本效益高之儲存與/或運送氣體之方 法。參考B. Miller 等人之 Am. Gas. Assoc. Mon. Vol. 28’ No· 2(1946)，pg_ 63。已有數位研究人員與專利人 對製造氣體水合物方法作敘述。參考例如頒予“抓等人之 美國專利字號第3, 514, 274號。 雖然在相關氣體水合物生產方法方面已有充份的文獻， 然而在牽涉到將水合物儲存與再氣化的裝置與方法方面之 文獻較為不被重視。這些氣體水合物生產的方面亦十分重 要。务無法令氣體水合物易於長時間儲存，生產的用途會 因此極為有限。另外，若是氣體水合物不能以方便且可控 制方式再氣化，則水合物的生產與儲存亦無意義。
C:\1234\55326.ptd 第8頁 445256 五、發明說明（3) *—-------- 在=_心咖等人之美國專利字號第2 375 559號 :福：边了一種水合煙氣體，並健存該製得之水合物於健 ί = 。WUtCMnS〇n所提及者，甚少有關再氣化 儲存水合物方法之細節D '頒予Donath之美國專利字號第2,9〇4,5u號，說明一種 以水去鹽裝置，其係藉由氣體水合物生成，而由鹽水淡化 提取去鹽水。由於此專利主要是與去鹽方法相關，水合物 儲存與氣體回收部份並非Donath所屬。反而，其水合物係 立即流到水合物解離槽，氣體在此處由相對去鹽的水中脫 離而出。 Gudmundsson亦敘述各種生產氣體水合物的系統。參考 例如美國專利字號第5, 5 36, 893號；W0專利印行第No. 93/01153號；"Transport oi Natural Gas as Frozen Hydrate," ISOPE Conference Proceedings, VI, The Hague, Netherlands, 1995 年6 月’與"Storing Natural Gas as Frozen Hydrate," SPE Production & Facilities, 1 9 94年2月。美國專利字號第5,53 6,8 93號敘 述’將氣體水合物聚凝成在大氣壓力與低於0 °C到1 5 °C溫 度下適合長期儲存之固體集合塊。甚少有提供相關於用在 水合物儲存與再氣化方法與裝置之細節。 Gudmundsson揭示將氣體水合物儲存於"非穩定”條件， 亦即，在這種條件下預期水合物為不穩定與解離。然而處 在這種相當溫和非穩定條件下（5 °F到2 0 °F與常壓力下）’ 天然氣水合物分離情況十分和缓’以保持在—段適於海運
C:\1234\55326.ptd 44525 6 五、發明說明（〇 或大規模健存（例如，10天或更久）時間内不變動 穩定性現象’係來自微觀下水合物樣本外表面之 氣化作用。由於水合物再氣化作用過程為吸熱性 樣本外表面一旦分解，自動的冷凍效果可使分解 結’形成一層冰殼’充分為主體水合物提供隔絕 本内部氣體的變質速率遲缓。此種非穩定性現象 物在生成後，仍能在相當和緩條件下保持穩定。 傳統上，水合物所能形成的氣體 然氣’甲烧，乙烧，丙…燒，二氧化碳 化氫等，均是以高壓儲存。液化天然氣與液化丙 儲存系統的例子》由於需用到高壓桶槽，故以高 化條件儲存氣體，會有很大安全顧慮並且十分昂 本發明之一目的，即在於提供一種氣體水合物 其不但成本低，枝’且可安全的儲存大 :體水合物。5外，本發明之—目的，在於提供 。此種非 自發性再 ，水合物 出的水凍 ，而使樣 谷許水合 ，总合天 氣，與硫 烷為這種 壓下與液 主 貝 ° 儲存器及 量累積之 :合：：2系統與方④，其可容體 兮儲；=，化氣體水合㉟，並令氣體與水產物自 避=，或液化條件下儲存氣體所帶來的二而 其包含至少一面定義出L 種氣體水合物餘存器， 卜” * 1 開的絕熱壁面，以及蓋在開口 上可谷許陽光射穿頂部。另；. 義出具氣密性，氣體水合物錯；；二方項與壁：定 少部份該陽光可射穿頂部“ ：：法遮盖至 ^選擇性避免j%光自該部份的
445256
五、發明說明（5) 頂部射穿進入。此氣體水合物儲存器，亦包括令氣體與水 自儲存空間移出之裝置。本發明方法卜當使用者需要氣 體時’本方法中遮蓋的蓋元件會自至少部份該陽光可射穿 頂部移開’以使陽光穿過頂部而進入健存器。纟陽的熱能 加溫到被照及的氣體水合物，因此將水合物分解成氣體與 水兩種成伤。t體成份自儲存器移出並運送到適當地點供 時=陽如气並Λ隨時可得來供水合物再氣化之用。在此種 時機（例如伩晚或陰雲曰），根據本發明之氣體水合物儲存 器更包括種加熱氣體水合物方法，可選擇性的置放在至 部份儲存空w。此加熱方法可為任何適當型式。例如， 熱氣體或液體盤之；管或通道’供相對溫 束喷…或微通道’電氣式加熱元件’蒸汽 5蛊住陽光射穿頂部的方法，1容許使用者選擇性將某 ;:伤Γ: 曝於曰常陽光照射之下’以由此使陽光穿i 體水合物’以行再氣化作用。遮蓋可為任何 ί: ί i抓ί以隔絕熱十生，能避免不必要的環境熱量穿過 t熱水合物為較佳。遮蓋的方法可以包括-或多個遮ΐΐ μ 了件為撤 '，以使較大部份的陽光可 射…有利之情況下，該遮蓋方法能夠 完全曝出項部，或是可任意遮蓋0到職 雖然以手動方式移動遮蓋並未脫離本發明範圍，然而較
C:\1234\55326.ptd 第1丨頁 44525 6 五、發明說明（6) 佳情況下’仍應提供某些方法移動遮蓋元件’以選擇性遮 蓋與/或曝出至少部份該陽光可射穿頂部。此一移動方 法，可以是例如任何該技藝已知（例如馬達）之適當機械式 或電力式裝置。 經由利用根據本發明之方法與裝置’氣體水合物可以方 便的，較廉的’具可控制性的，與安全的儲存與再氣化， 不致損失具價值性氣體產物。 本發明之優良特點可於配合下列詳細說明與所附圖面 下，更充分被認知與瞭解，其中： 圖1顯示根據本發明之裝置，其第一具體實例簡化之 視繪圖； 圖2顯示根據本發明之裝置之上視圖，其遮蓋元件位於 在定位上； ^ 圖3顯示根據本發明之裝置之上視圖，其遮蓋元件部份 撤回，以曝露部份陽光可射穿頂部及儲存空間； 自示；/加熱方法’其可併入本發明裝置，作為獨 ^又/ 照射時，加熱該儲存之氣體水合物； 圖5顯不根據本發明之裝置 甘加-9々 簡化繪圖。 《罝之第-具體實例，其侧視之 許2 關於一種供氣體水合物’尤其是大規模累積氣 水σ之儲存器。根據本發明之儲存器包括至少—面絕 以至少部份處於地下，並由強化混凝土製成為較 :二同：附有陽光可射穿頂部。該頂部由一或多組移動式 遮盍兀件所遮蓋’可以選擇性讓陽光穿過頂部。由此方 1^· 第12頁 C:\1234\55326.ptd 445256 五、發明說明¢7) 式’遮蓋與壁面可以對儲存的氣體水合物保護並阻絕環境 熱量 > 然而在需對水合物行再氣化作用時，遮蓋元件可移 開到預定程度，以使陽光照射水合物。如此可加熱水合 物’使其分解，將儲存的氣體提供使用者。 任何適當種類之可生成氣體的水合物，均可用於根據本 發明之方法與裝置。適當種類之可生成氣體的水合物範例 包括天然氣’混合天然氣，曱院，乙娱j，丙規，丁烧，二 氧化碳’氮氣’與硫化氫，以及其等之組合物。水合物可 以任何該技藝已知適當方式生查，例如前述各項文獻中所 敘述之方法《另外，這類氣體水合物的生產，可採用1997 年 10 月14 曰存槽’以jinping Long，Roland B, Saeger, David D. Huang 與Robert F· Heinemann 為發明人之美國 專利申請字號第0 8 / 95 0, 246號，，氣體水合物生成方法及裝 置"所述方法。 ~ 根據本發明之儲存器1〇之一具體實例繪製如圖1。強化 昆凝土壁12提供於至少部份在地面14表面以下。除了因為 位處地下所可獲得之絕熱外，壁面丨2亦可單獨以適當種類 絕熱原料絕熱（例如泡膠，玻纖絕熱材料等等）。陽光可穿 射頂部16蓋住儲存器10的壁面12。頂部16以採用透明，雙 層絕熱玻璃，或塑膠材料製成為宜。在雙扇玻璃或是塑膠 之間，通常包括有真空’m其它種適當氣體，以提 壁12與頂部16。儲 ’半球形，柱狀 根據本發明之儲存器10包括至少一面 存器1 0可以呈任何適當外形，包括球形
第13頁 C:\1234\55326. ptd 445256 五、發明說明（8) ' ---- 等右為柱狀體時，該柱狀體之橫切面可以是任何 I I。如正方形，四邊形，圓環形，卵形’橢圓形， §* ^ 3與5所不之本發明具體實例為圓橫切面之枉狀 π雖顯示壁面12位處地下，然此並非本發明之必要 Γ 際上’本發明可以是採用活動放置之地面上儲存 器’或是部份位於地下之错存器。 儲存器10在有需要時，亦可包括維持儲存之水合物在適 〇長期儲放之溫度與壓力的方法。舉例而言，根據本發明 之裝置可使氣體水合物保持在穩定條件（亦即適合水合物 生成條件）或非穩定條件（例如常壓下〇 =>c _丨5 〇c，水合物會 解離的條件，但實際上仍保持穩定）。儲存器1〇可以包括 此技藝已知之冷凍及加壓裝置，以維持容器1〇在任何適當 之儲存溫度及壓力之下’而不脫離本發明範圍。 在使用時’氣體水合物18係被儲存於儲存器10所定義出 之儲存空間20。當陽光22穿過陽光可射穿頂部16 ,該儲存 之氣體水合物18溫度提升’分解成氣體成份與水成份。經 放出的氣體以任何該技藝已知適當方法收集（例如空間2 〇 内提供之出風口）並經氣體管線24自儲存空間2〇移出。從 這晨’氣體可被運送或以任何適當方式儲存，以備任何用 途。例如，其可經燃燒提供住宅區或工業製程熱量，其亦 可經加壓置於桶中’供其次的儲存與/或運送等等。 在分解作用當中’釋放出的水落到儲存空間2 〇底部，於 此處被收集（例如收集槽）’再以泵移出。此點在圖1之排 水管線2 6可大致看出。另外，只要釋放的小符合適當排放
44525 6 五，發明卿⑼ --- 之環，標準，甚至可以讓其自桶槽流入周圍土地。 术此氣體水合物儲存器10亦可以技藝上已知適當方法 封示具體實例中’密封材料28(例如聚合性或 π二+封材料）被提供作來密封儲存器10側壁與底面壁間 接合處。於陽光可射穿頂部16與側壁12間，可壁間 排形環，或1它適當密 該空間2"氣密狀況 封方式(圖上未示)’以維持 以2 光可射穿頂部16上，提供有適當間口， =合。斗填入耽體水合物18於儲存空 應可為氣密式可密封。此外，馆t, e 田…、此處的開口 份為可移動式，以容許作為$ °可以疋全部或僅有部 Λ m ° 為k入水合物18的開口。麸而以 在壁面丨2上提供填料開口為較 ^ ^ …、而以 填加氣體水合物到餘存空間^利:因為可以讓使用者在 射。μ μ水合物Μ受到陽光及/或環境熱的照 為避免儲存中氣體水合物丨 適當方法以阻絕陽光。圖τ 必要的陽光照射，故提供 遮蓋方式。此遮蓋方式30/絕\^般性參考號·所示為 免對氣體水合物18不必要的昭二或由絕熱材製成，而以避 式均可採用而不脫離本發明=為較佳。任何，當遮蓋方 以位於儲存空間2 〇的内側或 。例如，此遮蓋方式3 0可 部16處，或與頂部16間有1 :另外，其可位於緊接頂 圖2與圖3所示，為一種$二隔二 該遮蓋方式30包含多個四邊：陪=盍方式範例。此例中， 狀~光阻隔器或遮蓋元件32，
44525G 五，發明說明（10) 其可被移動，以選擇性蓋住或曝出陽光可射空頂部16 2顯示遮蓋元件32延伸出頂部16，以阻隔來自頂部\6陽 時的上視圖。照此方式，遮蓋元件32阻擋住陽光， 存空間20内的氣體水合物18受熱與分解。在需 遮蓋元件32後移至一預定程度（圖3)，一預定時段Ί‘ ， 露陽光可射穿頂部16某一預定量的表面，及其之健广喂 水合物18，於陽光之下。此遮蓋元件32可作任何程】^
動，以使頂部16表面可依所需分解氣體量，與其分 率，以任何程度（0-100%)曝於陽光。 刀 I 此遮蓋元件32可以任何技藝已知方式移動。例如，可以 由在現場工作人員實際推移。或是以任何適當移動機轉， =機械式或電子式移動。遮蓋元件32以能 遙控裝置啟動為較佳。 貝^用 •杳ί它：能的遮蓋元件規畫方式，對於熟諳此藝者應甚為 凊楚。除了以滑動撤放外，如圖2_3所示，之外，各個遮 :以摺起收取於另一組上，以逐步完全曝露出頂 ° :、之下。另外一種可能方式，遮蓋方式30可由單 -遮盍元件32組成’其可移開，收取，收 =頂二6於陽光之下。同時1蓋元件32可用戈旋轉方式 »又置以遮盍及/或曝露頂部1 6。 止，^上視圖顯*本發明較佳具體實例之另-特點。陽 if時不在的供氣體水合物加熱’且不-定均能提供 t二1以維持所需的氣體水合物分解速率（亦即，一定 的乳*體積）°因此根據本發明之儲存器1 0以包括-輔 第16頁 C:\1234\55326.ptd 4. 4 5 2 5 6
五、發明說明（II) Κ=34ί較佳。此輔助加熱方式34可以是任何適當 入;?18配Α者包含延伸通過儲存空間20進入氣體水 熱氣體(例如蒸汽)或液體可流過配管， 伸直通過氣體水合物，」物。這些配管可以延 ^ 或其了為繞穿整個儲存空間20的盤 官。 :種適當？辅助加熱方式34，為如圖4所示較詳細之產 2 0束？官裝置。此裝置中，蒸汽由適當源頭36強制受 匕該官。管38延伸通過氣體水合物18所知的儲存空間 2 ◦。备其穿過該管3 8時，蒸汽受力由適當開口 ，或管上小 ，孔^40+喷出到附近區域。受力離開管38的蒸汽稱為形成一種 蒸汽束"，如圖4參考號碼5〇所示。開口或小孔4〇周圍區 f的氣體水合物，受到蒸汽束熱量而被加熱，分解釋放出 氣體與水。釋放出的氣體可收集利用，分解的水可如前述 由儲存空間2 0移出。 若有需要’管3 8可作絕熱，以對加熱更加控制，或其可 為導熱材料製成，可容許蒸汽熱透過傳導送到管38旁所儲 存之水合物18。 管3 8中過剰蒸汽及凝結水可於例如一槽4 2中收集^由此 處可再透過管線44，送再循環使用或處理。若有需要，由 儲存空間20排出的水亦可於槽42收集。 其它型式輔助加熱方式34亦可提供使用，而並不脫離本 發明。此辅助加熱方式34可位於儲存空間20内邹，部份位 於儲存空間2 0内部，或完全位於儲存空間2 0以外。舉其中
c：\1234\55326.ptd 第17頁 44525 6 五，發明說明（12) 一例’電氣式加熱元件可以完全位於儲存空間2 〇。另外， 加熱方式34可以是以微波能量加熱水合物的微波產生器。 其它亦可用在本發明之適當再氣化裝置述於1997年10月14 日存稽’以Roland B. Saeger， David D. Huang，
Jinping Long，與Robert F. Heinemanii 為發明人之美國 專利申請字號第0 8 /950, 247號，"Gas Hydrate Regass i f icat ion Method and Apparatus Using Steam or Other Heated Gas or Liquid" ° 本發明另一具體實例示於如圖5。此具體實例中，儲存 空間20因有提供一層由氣體不透過材料内襯而為氣密。此 内襯46可為任何適當形式。例如，其可以是由可移動式彈 性内襯原料（例如一只大塑勝袋）製成，成為铸存空間2 Q側 面與底面壁的内襯。另外，此内襯46可為永久性塗覆或施 作直接在儲存空間20側與底壁面上。任何適當之氣體不透 過塗覆或内襯原料均可使用，而不脫.離本發明。 圖5所示具體實例中，内襯46取代了圖1具體實例所示之 密封材料28。當然此兩種内襯46與密封材料28，均可目於 儲存器10，而不脫離本發明。 於本申請書中，申請人提出多種理論及機轉，以儘量說 明如何及為何本發明能如其方式作用。這些理論與機轉係 提出作為說明性質而已。申請人並未以任何物理，化學， 或機械方面操作理論作自我限制。 雖然本發明已以各種較佳具體實例的具體範例加以叙 述，熟諳此藝者應能認知各種修改及變化仍為可行，仍不
445256 Q , _案號87117067 Y〇年 ^月 五、發明說明（13) 如所 附申 請 專 利 範 圍 所 定 義之本發 明 之 精神 與範圍。 元 件 符 號簡_ 要說 明 10 儲 存 器 12 強 化 混 凝土 壁 14 地 面 16 陽 光 可 射穿 頂部 18 氣 體 水 合 物 20 儲 存 空 間 2 2 陽 光 24 氣 體 管 線 26 排 水 管 線 28 密 封 材 料 30 遮 蓋 方 式 32 陽 光 阻 隔器 /遮蓋元件 34 輔 助 加 熱 方 式 36 蒸 汽 源 頭 38 ^管 40 開 /，」 卜孔 42 槽 44 管 線 46 内 襯 50 蒸 汽 束 O:\55\55326.ptc 第19頁 2001.02. 27.019

Claims (1)

  1. 1. 一種氣體水合物儲存器，包含： 一界定一開口之至少一絕熱壁面； —將開口遮蓋之陽光可穿射頂部； —用來在該頂部及至少一壁面内界定一氣密、氣體水 合物之裝置； 一用來遮蓋該陽光可穿射頂部至少一部份以避免陽光 由該部份射穿之裝置； 一用來將氣體自儲存空間移出之裝置；及 一用來將水自儲存空間移出之裝置。 2. 根據申請專利範圍第1項之氣體水合物儲存器，其更 包括至少部份位於儲存空間之加熱裝置，以加熱至少部份 之氣體永合物。 3. 根據申請專利範圍第2項之氣體水合物儲存器，其中 該加熱氣體水合物之裝置包括至少一組加熱盤管。 4. 根據申請專利範圍第2項之氣體水合物儲存器，其中 該加熱裝置包括至少一組盤管或通道供蒸汽流動。 5. 根據申請專利範圍第2項之氣體水合物儲存器，其中 該加熱裝置包括至少一組盤管或通道供氣體或液體流動。 6. 根據申請專利範圍第2項之氣體水合物儲存器，其中 該加熱裝置包括一或多組之電氣加熱元件。 7. 根據节請專利範圍第1項之氣體水合物儲存器，其更 包含一組供加熱該氣體水合物之微波產生器。 8. 根據申請專利範圍第1項之氣體水合物儲存器，其中 該蓋住裝置至少一組蓋元件。 O:\55\55326.ptc 第1頁 2001.02. 27. 021 445256 _案號87117067_年月曰 修正_ 六、申請專利範圍 9.根據申請專利範圍第8項之氣體水合物儲存器，其中 至少一組蓋元件為可撤回式。 1 0 .根據申請專利範圍第8項之氣體水合物儲存器，其更 包含移動至少一蓋元件，以選擇性曝露至少部份陽光可射 穿頂部之裝置。 O:\55\55326.ptc 第2頁 2001.02.27.022
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