【摘要】：進(jìn)入二十一世紀(jì)后,無論是發(fā)展中國家還是發(fā)達(dá)國家對能源的需求量有增無減,然而傳統(tǒng)的能源(石油、天然氣和煤)的儲量及質(zhì)量都漸漸跟不上發(fā)展的需要。因此,開發(fā)新能源以替代傳統(tǒng)能源的呼聲也越來越高。天然氣水合物以其儲量大、污染小等優(yōu)點(diǎn),被各國家認(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。 目前對天然氣水合物的開采仍處于試驗(yàn)研究階段。天然氣水合物在常壓下低于273K時表現(xiàn)出很高的穩(wěn)定性,它被認(rèn)為是新的能量儲存和運(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)觀測了甲烷水合物的原位分解過程。實(shí)驗(yàn)中,我們研究了常壓下,溫度介于148-253K時甲烷水合物的分解過程。X射線衍射方法的原位觀測結(jié)果表明甲烷水合物的分解含有兩個階段。第二個階段中,水合物分解十分緩慢,而且溫度介于168-198K時,分解產(chǎn)物的擴(kuò)散過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程中的自保護(hù)機(jī)理,采用分子動力學(xué)模擬了在定溫度條件下,Ⅰ型水合物的分解過程。通過模擬發(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,冰膜中H2O分子的狀態(tài)與冰相似。此時,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,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。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法對抑制劑抑制效果進(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)定性和分解過程中表現(xiàn)出來的自保護(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程中的控制性因素。 建立熱力學(xué)和動力學(xué)模型,分析了水合物分解過程中的熱動力學(xué)特性。分析了應(yīng)用熱激法開采天然氣水合物過程中的能耗。從分析中可以看出,開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。如何提高開采天然氣水合物資源過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)出了用熱激法開采天然氣水合物時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發(fā)過程中溫度、壓力和產(chǎn)氣量的變化規(guī)律。最后提出了熱激法開采水合物的有效能耗模型。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：P744.4
【圖文】：

看作吸附氣體分子的多孔吸附體。到目前為_l卜，己經(jīng)發(fā)現(xiàn)的大然氣水合物主要有二種結(jié)構(gòu):結(jié)構(gòu)I型、n型和H型[9]。相比之卜，工型水合物穩(wěn)定性不如n型和H型水合物。不同結(jié)構(gòu)的水合物由尺寸和形伏不同的水分子籠形結(jié)構(gòu)組成，如表卜1和圖1一1所示。I對口和n型結(jié)構(gòu)中包含兩種孔穴:小孔穴和人孔穴，大孔穴的多面體變形之后，接近球形。H型結(jié)構(gòu)中的人孔穴最接近球形，小孔穴與球形的差別最大。I型結(jié)構(gòu)水合物是立方品體結(jié)構(gòu)，在白然界分布最廣泛，僅能容納C執(zhí)、

這是由于水合物在分解過程中是大量吸熱，反應(yīng)生成的水分子在水合物表面結(jié)成一層冰膜，阻礙了反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散，進(jìn)而阻_，七了反應(yīng)的持續(xù)快速進(jìn)行[l9〕。Yal田shev等[z0]等對水合物白保護(hù)機(jī)理做了進(jìn)一步研究，給出了了水合物自保護(hù)區(qū)域的溫度范圍(圖1一2)。大然氣水合物的白保護(hù)特性對在水合物地層進(jìn)行個胡朵作業(yè)時選擇鉆井液溫度、保存水合物巖心具有重人意義;對利用天然氣水合物白保護(hù)特性，大規(guī)模儲運(yùn)大然氣也具有指導(dǎo)作用。

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 賈瑞;天然氣水合物熱管式孔底快速冷凍機(jī)構(gòu)及蒸汽法試開采試驗(yàn)研究[D];吉林大學(xué);2013年

本文編號：2715304