天然气水合物的可持续利用技术

天然气水合物应用技术的研究日益受到各国的重视，其应用技术包括天然气储运、污水处理与海水淡化、气体混合物分离、水合物蓄冷、液体的近临界和超临界萃取以及水溶液浓缩等。

（1）清洁能源 如前所述，全球的天然气水合物储量较大，可满足人类日益增长的能源需求，而且天然气水合物的能量密度高、在自然界中分布范围广，有利于大范围的使用，因此可以用作未来潜在的清洁能源。此外，开采技术的不断发展也将为天然气水合物作为能源提供技术保障。

（2）污水处理与海水淡化 天然气水合物污水处理技术是在一定条件下，使天然气与污水中的水生成水合物，水合物沉积后分离出来再进行分解，脱除水分，起到污水净化的目的，而天然气可重复利用。研究表明，利用水合物技术可将造纸废水中的盐含量降低23%～31%，废物含量降低26%。天然气水合物海水淡化技术与污水处理原理类似，也是使天然气与海水中的水形成水合物，固液分离后，再对水合物进行分解得到淡水。

天然气水合物技术用于污水处理与海水淡化的优点在于能耗低、设备简单、处理效果好，但水合物形成需一定的条件，且存在水洗耗水大，效率不高等缺点。因此，该技术目前只在一些缺水的中东国家和地区得到了工业应用。

（3）气体混合物分离 酸性气田产出的天然气含有大量的CO₂和H₂S，会对输送管线和设备等造成严重的腐蚀。利用天然气水合物的生成技术可将CO₂和H₂S等进行分离。在一定的温度条件下，不同气体生成水合物的压力不同，因而可控制天然气体系的压力来生成不同气体的水合物，从而实现不同气体的分离，其原理如图5-9所示。水合物分离法相对其他分离技术有节省制冷能量、压力损失小、分离效率高等优点。

图5-9 水合物气体混合物分离技术的原理示意图

（4）水合物蓄冷 天然气水合物作为蓄冷介质时，其相变温度在5～12℃，适合常规空调冷水机组。天然气水合物的蓄冷密度与冰相当，熔解热约为302.4～464kJ/kg。由于天然气水合物结晶的生成过程是晶粒形式，因此其热阻小，热传递效率高，若采用直接接触式蓄冷系统，还可进一步提高其传热效率。(www.xing528.com)

（5）液体的近临界和超临界萃取 水合物技术用于液体的近临界和超临界萃取是将一种化合物同时作为水合物形成物及近临界和超临界萃取剂，使萃取过程中伴随着有水合物的生成。水合物的生成使溶液浓缩，破坏原有的萃取平衡，使萃取效率大大提高。水合物技术应用于液体的近临界和超临界萃取，不仅避免了水合物晶体和溶液完全分离的困难，而且大大增加了萃取过程的有效分配系数和选择性。

（6）水溶液浓缩 水合物是一种具有立方晶格结构的晶体，由水和与其形成水合物的气体组成，而离子和一些强极性组分均不能进入水合物中。将可生成水合物的气体注入水溶液中，在一定温度和压力条件下形成水合物。水合物中包含大量的水，通过固液分离使得原本水溶液中的水随水合物而除去，从而得到了浓缩液。与常规水溶液浓缩方法相比，此法能耗低、效率高。

（7）天然气储运 常规的天然气储运技术存在投资高、风险大，不宜长距离输送等缺点。由于天然气水合物的密度是常压天然气的180倍，将天然气制成水合物可以大大减小天然气储运体积，降低运输成本，提高储运过程中的安全性。天然气水合物储运技术路线示意图如图5-10所示。

（8）其他应用 除以上方面外，水合物技术还可运用于其他许多领域：水合物压井是利用水合物在井下生成，暂时封堵井底，在需要时可通过分解水合物对井底进行解堵；水合物自动制冷是在需制冷的密闭容器中注入一定量气体和水，在一定条件下生成水合物，当开启密闭容器后，由于压力降低，水合物分解吸热而产生自动制冷效应。

图5-10 天然气水合物储运技术路线示意图