气体水合物应用技术研究进展
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第２ ４卷
第１ 期
甘 肃 科 学 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｎ ｕＳ ｉｎｃｓ ｏ ｒ ａ ｆＧａ ｓ ｃｅ ｅ
Ｖｏ【 ２ Ｎｏ ．４ ．１
Ｍａ ０ ２ Ｌ２ １
２１ ０ ２年 ３月
气 体 水 合 物应 用 技 术 研 究进 展
王 林 军“ ， ｂ 邵 磊 张 学 民 ， ， ｃ 张 东 ， 国栋 魏
得， 而且天然气水合物分 解后几乎可 以百分 之百释放 出天然气 ， ＧＨ 技术 可 以提高 天 然气 储存 的规 模 和 Ｎ 效率 ， 于中心城 市大规模的天然气 调峰． 可用 天然气 水合 物的生 产和运 输 费用 占整个流 程 中 工 程费 的 ５ ． 和 ３ ． ． ７３ ３ ７ 因此 ， 降低 ＮＧＨ 的生
（ 州 理 工 大 学 ａ 机 电工 程 学 院 ．． 阳 能 与 气体 水 合 物 研 究 中 心 ；． 油 化 工 学 院 ， 肃 兰 州 ７ ０ ５ ） 兰 ． ｂ太 Ｃ石 甘 ３ ０ ０
摘 要 ： 在 对 气体 水合 物 简单介 绍 的基础 上 ， 阐述 了气体 水合 物 的生成机 理 ． 气体 水合 物技 术 各 对
（． ｏｌｇ ｃ ａ ｏＥ ｅ ｔｏ ｉ Ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ； ． ｅｅ ｒ ｈ ｅ ｔ ｆ Ｓ ｌｒＥ ｅｇ ＆ Ｇ ｓＨｙ ｒ ｔ ； ａ Ｃ ｌ ｅ ｆ Ｍｅｈ ｎ － ｌｃｒ ｎｃ ｎ ｉｅｒｎ ｂ Ｒ ｓａ ｃ ｎｅ ｏ ｏａ ｎ ｒ ｙ ｅ ｏ Ｃ ｒ ａ ｄ ａ ｅ Ｃ Ｃ ｌ ｇ ｅｒｃ ｅ ｃ ｌＴ ｃ ｎ ｌｇ Ｌ ｎ ｈ ｕ Ｕ ｉｅｓ ｙ ｏ ｃ ｎ ｅａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ Ｌ ｎ ｈ ｕ ７ ０ ５ ， ｈ ｎ ） ． ｏｌ ｅ ｆ Ｐ ｔ ｈ ｍｉ ｅｈ ｏｏ ｙ， ａ ｚ ｏ ｎｖ ｒ ｉ ｆ Ｓ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏｏ ｙ， ａ ｚ ｏ ３ ０ ０ Ｃ ｉ ａ ｅ ｏ ｏ ａ ｔ ｅ
收 稿 日期 ； ０ １Ｏ — ２ ２ １一８２ 基 金 项 目 ： 家 自然科 学 基 金 项 目（０ ６ ０ ２ 国 ５９６０）
件 下 晶体 中的客 体 分子 与主 体 分子 的 比例 不 同 ， 因 而水 合 物没 有确定 的化 学 分 子式 ． 天然 气 水 合 物是
作 者 简 介 ： 林 军 （ ９ ３） 男 ， 授 ， 要 从 事 气 体 水 合物 应 用 技 术 研 究 ． — ｉ； ａ ｇｉ ｕ ＠ ｌｔａ 王 １６ 一 ， 教 主 Ｅ ｍａ ｗ ｎ ｌ ｊｎ ｕ． ｎ ｌ ｎ
用 力是水 合 物 的结 构 形 成 和稳 定 存 在 的关 键 ． 水合 物 的稳定 性 主 要 取决 于其 孔 穴 被 客 体 填 充 的百 分 数， 被填 充 的百分 数 越 大 ， 就越 稳 定． 被 填 充 的 它 而
百 分数 则取 决于 客 体分 子 的大小 以及 其 气 相逸 度 ． 目前 已发 现 的水合 物 晶体结构 有 Ｉ型 、 Ⅱ型 和 Ｈ 型 ３种 ， 同结 构 的 水合 物具 有 不 同种 类 和 配 比的笼 不
５ ０
甘 肃 科 学 学 报
２１ ０ ２年
第１ 期
自然界 中天然气 存 在 的一 种 特 殊形 式 ， 它分 布 范 围
然气 技 术 常 简 称 为 ＮＧＨ （ 然 气 水 合 物 ） 术 ， 天 技 ＮＧＨ 技术 需要 解决 的关 键 技术 问题 是水 合 物 的 大
广、 模大、 规 能量 密 度大 ， 研究 、 开发 和利用水 合物 中 天然气 资 源 已成 为 国 内外 研究 的热点 问题 之一．
ａ ｄ ｒ ｓ ｕ ｃ ｓ ｎ ｅ ｏ ｒ ｅ ．
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产成 本是 实现储运 技 术 的关 键 ， 多研 究 都是 围绕 许 着 提高 ＮＧＨ 生产 效 率 而 开 展 的． ａ ａ ｍａｄ 等 ［ Ｊｖｎ ｒｉ ３ ］ 对 天然气水 合物运 输 天 然 气进 行 了经 济 评价 ， 果 结
Ｐｒ ｇ ｅ ｓ ｉ ｓ ａ ｃ ｅ ｆＧａ ｄ ａ ｅ Ａｐｐ ｉ ａ ｉ ｎ ｃ ｎｏ ｏ ｙ ｏ ｒ ｓ ｎ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｓ ｏ ｓ Ｈｙ ｒ ｔ ｌｃ ｔｏ Ｔｅ ｈ ｌ ｇ
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关 键 词 ： 气体 水 合 物 ； 成 机 理 ； 水 淡 化 ； 离气 体 混 合 物 ； 运 天 燃 气 生 海 分 储
中图分 类号 ： Ｏ６ ９ ５
文献 标志 码 ： Ａ
文章编 号 ：０ ４０ ６ （ ０ ２ ０ —０ ９０ １ ０ －３ ６ ２ １ ） １０ ４ — ６
子． 由于客体 分子 在孔 穴 间的分布 是无 序 的 ， 同条 不
的其他组 分称 为客 体 ． 体水 分 子 通 过 氢键 相 连 形 主
成 一些 多面体 笼孔 ， 寸适 合 的客 体 分 子 可填 充 在 尺 这 些笼 孑 中 ， Ｌ 使其 具有 热力 学稳 定性 ． 客体 分子 与主
体 分子 之 间 以 Ｖａ ｅ ａｓ 相 互 作 用 ， 种 作 ｎ ｄ ｒＷａ ｌ 力 这
ｇ ｓ ｓ ｏ ａ ｅ ａ ｄ ｔ ａ ｐＯ ｔ ｔｏｎ ａ ｔ ｒ ｇ ｎ ｒ ｎｓ ｒ ａ ｉ
气体 水合 物是水 与 小分子 气体 （ ＣＨ 、 。 、 如 Ｃ Ｈ Ｃ Ｈ。Ｃ Ｈ 、 Ｏ。 Ｈ。 、 。 Ｎ 。 、 Ｃ 、 Ｓ Ｏ 、 等 ） 易 挥 发性 液 体 或 （ Ｒ ４ ｂ Ｒ１ ４ 、 １ ２ 如 １ １ 、 ３ ａ Ｒ ５ ａ等 ） 一定 温度 和 压 力 条 在 件 下形 成 的非 化学 计 量 性 笼 状 晶体 物 质 ， 又称 笼 型 水合 物． 形成 水合物 的水分子 称 为主体 ， 形成 水合 物
应 用研 究领域 进行 了简介 ， 别是 对 水合物 法储 运 天 然 气 、 水 淡 化 、 离气体 混合 物 、 Ｏ 特 海 分 Ｃ ｚ海底 储
存、Ｏ Ｃ 置换 开采 天 然气 水合物 、 盐开发技 术 、 冷技 术 等 国 内外 的研 究现 状进 行 了综述． 湖 蓄 随着 科 学技 术 的不断进 步 ， 气体 水合 物应 用技 术的领 域会 越 来越广 泛 ， 工业 化应 用水 平也会越 来越 高 ， 缓 对 解 能源危机 、 护环 境和 经 济与 资源的 可持 续发展 具 有重 大的现 实意义． 保
１ ０ 天然气 ， ８ 因此单位 体积 水合 物 的储气 量较 高 ； ③天然气水合物 的分解需 要较多 热量 ， 只要 切断传 热 途径 ， 即可使天然 气水 合 物长 期稳 定存 在 ； ④天 然气 水合物 固态储 存 以及用 作车 用燃 料来 代替 汽 油和 危
险性很大 的压 缩天 然气 ， 仅 使用 安 全 ， 且对 推 动 不 而 环 保 型汽 车 的发 展也 极具 吸引 力 ； 由于水 廉 价 易 ⑤
等 提 出 了冰 中成 晶的 机理 ， 为 冰粒 转 化 为水 合 认 物 时 ， 先需要 在 冰粒表 面形 成液膜 ， 首 然后 气体 溶解
在 液膜里 形成 水 合 物． ｎ ｌ ｏ 基Fra Baidu bibliotek于 双 膜理 论 和 结 Ｅ ｇｅ ｓ ｚ
晶理 论 ， 出了一个 水合 物生 成动 力学模 型． 提 该模 型 认 为水合 物 的生长 过 程包 括 ３个 步 骤 ： ①气 体 溶 解 到液 相 主体 ； ②溶 解 的气 体扩 散到水 合物 周 围 ； 水 ③ 合 物颗粒 表 面反应 ． 型 中利 用 双膜 理 论来 描 述 水 模
已经 提 出 了很 多 水 合 物 生 成 的 机 理 和 模 型 ． ｌａ Ｓｏ ｎ
气储 存条件 温和 ， 天然气 水合 物能 够在 一１ ～Ｏ℃ ， ５
１ １ ｔ 下 长 时 间 保 存 而 分 解 量 很 小 ； 因 为 ～ ０ ａｍ ② １Ｉ。 Ｉ的天然气 水合 物 可 以储存 标 准 状 况下 约 １０ Ｔ ６
规模 快速 生成 、 固化成 型 、 集装 和运 输过 程 的安 全 问 题． ＮＧＨ 技术具 有许 多 优点 ： 水 合 物法 储 存 天然 ①
１ 气 体 水 合 物 生成 机 理
气 体水 合 物 生成 过程 是 一 个 多元 、 相 相互 作 多 用 的动力 学过程 ． 目前 针 对 水 合物 生 成 机理 的研 究 主要 集 中于水合 物 生 成 的动 力 学 上． 国内 外 的学 者
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈ ｏ ｍａ ｉ ｎ ｍ ｅ ｈ ｎ ｓ ｓｏ ａ ｙ ｒ ｔ ｒ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ Ｔｈ ａ ｉ ｕ ｒ ａ ｆ ａ ｙ ｒ ｔ ｐ ｓｒ ｃ ： ｅ ｆ ｒ ｔ ｃ ａ ｉｍ ｆ ｓｈ ｄ ａ ｅ ｗｅ ｅ ｉ ｔ ｏ ｕ ｅ ． ｅｖ ｒｏ ｓａ ｅ ｓｏ ｓｈ ｄ ａ ｅ ａ — ｏ ｇ ｇ
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甘 肃 科 学 学 报
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２１ ０ ２年 ３月
气 体 水 合 物应 用 技 术 研 究进 展
王 林 军“ ， ｂ 邵 磊 张 学 民 ， ， ｃ 张 东 ， 国栋 魏
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（ 州 理 工 大 学 ａ 机 电工 程 学 院 ．． 阳 能 与 气体 水 合 物 研 究 中 心 ；． 油 化 工 学 院 ， 肃 兰 州 ７ ０ ５ ） 兰 ． ｂ太 Ｃ石 甘 ３ ０ ０
摘 要 ： 在 对 气体 水合 物 简单介 绍 的基础 上 ， 阐述 了气体 水合 物 的生成机 理 ． 气体 水合 物技 术 各 对
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收 稿 日期 ； ０ １Ｏ — ２ ２ １一８２ 基 金 项 目 ： 家 自然科 学 基 金 项 目（０ ６ ０ ２ 国 ５９６０）
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作 者 简 介 ： 林 军 （ ９ ３） 男 ， 授 ， 要 从 事 气 体 水 合物 应 用 技 术 研 究 ． — ｉ； ａ ｇｉ ｕ ＠ ｌｔａ 王 １６ 一 ， 教 主 Ｅ ｍａ ｗ ｎ ｌ ｊｎ ｕ． ｎ ｌ ｎ
用 力是水 合 物 的结 构 形 成 和稳 定 存 在 的关 键 ． 水合 物 的稳定 性 主 要 取决 于其 孔 穴 被 客 体 填 充 的百 分 数， 被填 充 的百分 数 越 大 ， 就越 稳 定． 被 填 充 的 它 而
百 分数 则取 决于 客 体分 子 的大小 以及 其 气 相逸 度 ． 目前 已发 现 的水合 物 晶体结构 有 Ｉ型 、 Ⅱ型 和 Ｈ 型 ３种 ， 同结 构 的 水合 物具 有 不 同种 类 和 配 比的笼 不
５ ０
甘 肃 科 学 学 报
２１ ０ ２年
第１ 期
自然界 中天然气 存 在 的一 种 特 殊形 式 ， 它分 布 范 围
然气 技 术 常 简 称 为 ＮＧＨ （ 然 气 水 合 物 ） 术 ， 天 技 ＮＧＨ 技术 需要 解决 的关 键 技术 问题 是水 合 物 的 大
广、 模大、 规 能量 密 度大 ， 研究 、 开发 和利用水 合物 中 天然气 资 源 已成 为 国 内外 研究 的热点 问题 之一．
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产成 本是 实现储运 技 术 的关 键 ， 多研 究 都是 围绕 许 着 提高 ＮＧＨ 生产 效 率 而 开 展 的． ａ ａ ｍａｄ 等 ［ Ｊｖｎ ｒｉ ３ ］ 对 天然气水 合物运 输 天 然 气进 行 了经 济 评价 ， 果 结
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关 键 词 ： 气体 水 合 物 ； 成 机 理 ； 水 淡 化 ； 离气 体 混 合 物 ； 运 天 燃 气 生 海 分 储
中图分 类号 ： Ｏ６ ９ ５
文献 标志 码 ： Ａ
文章编 号 ：０ ４０ ６ （ ０ ２ ０ —０ ９０ １ ０ －３ ６ ２ １ ） １０ ４ — ６
子． 由于客体 分子 在孔 穴 间的分布 是无 序 的 ， 同条 不
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成 一些 多面体 笼孔 ， 寸适 合 的客 体 分 子 可填 充 在 尺 这 些笼 孑 中 ， Ｌ 使其 具有 热力 学稳 定性 ． 客体 分子 与主
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气体 水合 物是水 与 小分子 气体 （ ＣＨ 、 。 、 如 Ｃ Ｈ Ｃ Ｈ。Ｃ Ｈ 、 Ｏ。 Ｈ。 、 。 Ｎ 。 、 Ｃ 、 Ｓ Ｏ 、 等 ） 易 挥 发性 液 体 或 （ Ｒ ４ ｂ Ｒ１ ４ 、 １ ２ 如 １ １ 、 ３ ａ Ｒ ５ ａ等 ） 一定 温度 和 压 力 条 在 件 下形 成 的非 化学 计 量 性 笼 状 晶体 物 质 ， 又称 笼 型 水合 物． 形成 水合物 的水分子 称 为主体 ， 形成 水合 物
应 用研 究领域 进行 了简介 ， 别是 对 水合物 法储 运 天 然 气 、 水 淡 化 、 离气体 混合 物 、 Ｏ 特 海 分 Ｃ ｚ海底 储
存、Ｏ Ｃ 置换 开采 天 然气 水合物 、 盐开发技 术 、 冷技 术 等 国 内外 的研 究现 状进 行 了综述． 湖 蓄 随着 科 学技 术 的不断进 步 ， 气体 水合 物应 用技 术的领 域会 越 来越广 泛 ， 工业 化应 用水 平也会越 来越 高 ， 缓 对 解 能源危机 、 护环 境和 经 济与 资源的 可持 续发展 具 有重 大的现 实意义． 保
１ ０ 天然气 ， ８ 因此单位 体积 水合 物 的储气 量较 高 ； ③天然气水合物 的分解需 要较多 热量 ， 只要 切断传 热 途径 ， 即可使天然 气水 合 物长 期稳 定存 在 ； ④天 然气 水合物 固态储 存 以及用 作车 用燃 料来 代替 汽 油和 危
险性很大 的压 缩天 然气 ， 仅 使用 安 全 ， 且对 推 动 不 而 环 保 型汽 车 的发 展也 极具 吸引 力 ； 由于水 廉 价 易 ⑤
等 提 出 了冰 中成 晶的 机理 ， 为 冰粒 转 化 为水 合 认 物 时 ， 先需要 在 冰粒表 面形 成液膜 ， 首 然后 气体 溶解
在 液膜里 形成 水 合 物． ｎ ｌ ｏ 基Fra Baidu bibliotek于 双 膜理 论 和 结 Ｅ ｇｅ ｓ ｚ
晶理 论 ， 出了一个 水合 物生 成动 力学模 型． 提 该模 型 认 为水合 物 的生长 过 程包 括 ３个 步 骤 ： ①气 体 溶 解 到液 相 主体 ； ②溶 解 的气 体扩 散到水 合物 周 围 ； 水 ③ 合 物颗粒 表 面反应 ． 型 中利 用 双膜 理 论来 描 述 水 模
已经 提 出 了很 多 水 合 物 生 成 的 机 理 和 模 型 ． ｌａ Ｓｏ ｎ
气储 存条件 温和 ， 天然气 水合 物能 够在 一１ ～Ｏ℃ ， ５
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规模 快速 生成 、 固化成 型 、 集装 和运 输过 程 的安 全 问 题． ＮＧＨ 技术具 有许 多 优点 ： 水 合 物法 储 存 天然 ①
１ 气 体 水 合 物 生成 机 理
气 体水 合 物 生成 过程 是 一 个 多元 、 相 相互 作 多 用 的动力 学过程 ． 目前 针 对 水 合物 生 成 机理 的研 究 主要 集 中于水合 物 生 成 的动 力 学 上． 国内 外 的学 者
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