天然氣水合物分解的自保護(hù)機(jī)理及熱動(dòng)力學(xué)特性研究

【摘要】：進(jìn)入二十一世紀(jì)后,無(wú)論是發(fā)展中國(guó)家還是發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)能源的需求量有增無(wú)減,然而傳統(tǒng)的能源(石油、天然氣和煤)的儲(chǔ)量及質(zhì)量都漸漸跟不上發(fā)展的需要。因此,開(kāi)發(fā)新能源以替代傳統(tǒng)能源的呼聲也越來(lái)越高。天然氣水合物以其儲(chǔ)量大、污染小等優(yōu)點(diǎn),被各國(guó)家認(rèn)為最有前景的自然替代能源之一。天然氣水合物是由水分子和天然氣中的氣體分子在低溫高壓環(huán)境下生成的似冰雪結(jié)晶化合物,又稱(chēng)籠型水合物或“可燃冰”。甲烷是形成天然氣水合物的最主要?dú)怏w,因而天然氣水合物也被稱(chēng)為甲烷水合物。自然界中的天然氣水合物主要分布在近海大陸邊緣和陸上永凍地區(qū),尤其是是近海大陸邊緣。 目前對(duì)天然氣水合物的開(kāi)采仍處于試驗(yàn)研究階段。天然氣水合物在常壓下低于273K時(shí)表現(xiàn)出很高的穩(wěn)定性,它被認(rèn)為是新的能量?jī)?chǔ)存和運(yùn)輸媒介。人們認(rèn)為,這種穩(wěn)定性是由水合物分解生成的冰膜造成的。冰膜覆蓋在水合物上,阻止了它的進(jìn)一步分解。這一作用被稱(chēng)為天然氣水合物的“分解自保護(hù)”。為了確定溫度與天然氣水合物分解及自保護(hù)機(jī)理的關(guān)系,利用X射線的衍射實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了甲烷水合物的原位分解過(guò)程。實(shí)驗(yàn)中,我們研究了常壓下,溫度介于148-253K時(shí)甲烷水合物的分解過(guò)程。X射線衍射方法的原位觀測(cè)結(jié)果表明甲烷水合物的分解含有兩個(gè)階段。第二個(gè)階段中,水合物分解十分緩慢,而且溫度介于168-198K時(shí),分解產(chǎn)物的擴(kuò)散過(guò)程表明水合物表面被一層薄冰覆蓋。 為了進(jìn)一步了解天然氣水合物分解過(guò)程中的自保護(hù)機(jī)理,采用分子動(dòng)力學(xué)模擬了在定溫度條件下,Ⅰ型水合物的分解過(guò)程。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn),冰膜中水的狀態(tài)直接影響了傳質(zhì)阻力的大小。當(dāng)溫度不高于水的冰點(diǎn)時(shí),冰膜中H2O分子的狀態(tài)與冰相似。此時(shí),H2O分子的擴(kuò)散系數(shù)比較低,冰膜傳質(zhì)的阻力比較大。由于CH4分子必須穿過(guò)這層冰膜才能進(jìn)逸出,阻礙了水合物的進(jìn)一步分解,從而發(fā)生了分解自保護(hù)作用。當(dāng)溫度不低于水的冰點(diǎn)時(shí),冰膜中水分子以液態(tài)形式存在,冰膜中H2O的狀態(tài)與液態(tài)水相似,因此H2O分子擴(kuò)散的系數(shù)大大提高,冰膜傳質(zhì)的阻力降低,水合物分解的自保護(hù)作用大幅度減弱。 比較了在不同抑制劑作用下,水合物分解和自保護(hù)作用的差異。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)抑制劑抑制效果進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),抑制劑中的氧與水合物表面的水分子之間形成氫鍵,破壞了水合物的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),致使籠形結(jié)構(gòu)瓦解,分解釋放的甲烷氣體能順利逸出,一定程度上緩解了自保護(hù)作用。 隨著對(duì)水合物研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)很大程度上影響著水合物的穩(wěn)定性和分解過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的自保護(hù)作用。討論了多孔介質(zhì)中水合物的穩(wěn)定性,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了多孔介質(zhì)中水合物分解速率受邊界傳熱的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),如果多孔介質(zhì)的滲透率較大那么溫度變化決定了甲烷水合物分解的速率,也就表明熱傳遞是水合物分解過(guò)程中的控制性因素。 建立熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型,分析了水合物分解過(guò)程中的熱動(dòng)力學(xué)特性。分析了應(yīng)用熱激法開(kāi)采天然氣水合物過(guò)程中的能耗。從分析中可以看出,開(kāi)采天然氣水合物的能耗主要由五部分組成：水合物分解消耗的能量、巖石溫度升高能量、天然氣水合物溫度升高消耗的能量、地層中飽和水溫度升高消耗的能量、天然氣水合物分解后產(chǎn)生的水和天然氣溫度升高消耗的能量。其中,水合物升溫和分解消耗能量只占全部消耗能量的很小一部分。如何提高開(kāi)采天然氣水合物資源過(guò)程中輸入能量的使用效率是我們當(dāng)前的研究重點(diǎn)之一 在考慮水合物分解的逆反應(yīng)的基礎(chǔ)上,根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒定律,推導(dǎo)出了用熱激法開(kāi)采天然氣水合物時(shí)的壓力和溫度控制方程。用數(shù)值模擬的方法分析了水合物開(kāi)發(fā)過(guò)程中溫度、壓力和產(chǎn)氣量的變化規(guī)律。最后提出了熱激法開(kāi)采水合物的有效能耗模型。 【關(guān)鍵詞】：天然氣水合物 自保護(hù)作用 多孔介質(zhì) 熱動(dòng)力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類(lèi)號(hào)】：P744.4
【目錄】：

• 作者簡(jiǎn)介5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 緒論12-18
• §1.1 天然氣水合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)12-15
• 1.1.1 天然氣水合物的結(jié)構(gòu)12-14
• 1.1.2 天然氣水合物的性質(zhì)14-15
• §1.2 天然氣水合物的研究意義15-16
• §1.3 天然氣水合物的研究現(xiàn)狀16-17
• §1.4 主要研究?jī)?nèi)容17-18
• 第二章 水合物分解及自保護(hù)機(jī)理18-41
• §2.1 溫度與自保護(hù)作用之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)分析18-23
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)及觀測(cè)過(guò)程18-19
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論19-22
• 2.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論22-23
• §2.2 用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬天然氣水合物分解自保護(hù)作用23-34
• 2.2.1 模擬體系和模擬方法23-25
• 2.2.2 模擬結(jié)果和討論25-34
• §2.3 抑制劑對(duì)天然氣水合物分解的影響34-41
• 2.3.1 熱力學(xué)抑制劑34-35
• 2.3.2 動(dòng)力學(xué)抑制劑35-36
• 2.3.3 動(dòng)力學(xué)抑制劑對(duì)水合物生成的抑制實(shí)驗(yàn)研究36-41
• 第三章 多孔介質(zhì)中水合物的分解41-51
• §3.1 多孔介質(zhì)中天然氣水合物的穩(wěn)定性41-45
• 3.1.1 孔徑結(jié)構(gòu)效應(yīng)41-44
• 3.1.2 孔隙內(nèi)表面潤(rùn)濕性的影響44-45
• §3.2 天然氣水合物在多孔介質(zhì)中降壓分解實(shí)驗(yàn)45-51
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程45-46
• 3.2.2 水合物分解的動(dòng)態(tài)特性分析46-49
• 3.2.3 邊界傳熱對(duì)分解速率的影響49-51
• 第四章 天然氣水合物分解的熱動(dòng)力學(xué)特性研究51-71
• §4.1 天然氣水合物分解的熱力學(xué)模型51-57
• 4.1.1 毛細(xì)管力模型51-53
• 4.1.2 熱力學(xué)模型53-54
• 4.1.3 實(shí)例分析54-57
• §4.2 天然氣水合物分解的動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬57-63
• 4.2.1 模型假設(shè)57
• 4.2.2 模型推導(dǎo)57-59
• 4.2.3 模型求解59-62
• 4.2.4 模型驗(yàn)證62-63
• §4.3 天然氣水合物開(kāi)發(fā)的能耗模擬63-71
• 4.3.1 熱激法開(kāi)采天然氣水合物的能耗分析63-66
• 4.3.2 熱激法開(kāi)采天然氣水合物模型66-71
• 第五章 總結(jié)及今后展望71-73
• §5.1 結(jié)論及論文不足之處71-72
• §5.2 對(duì)今后水合物開(kāi)采的展望72-73
• 致謝73-74
• 參考文獻(xiàn)74-78

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天然氣水合物分解對(duì)分層土中海底管道穩(wěn)定性的影響    王淑云;王麗;魯曉兵;

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