【摘要】：進入二十一世紀后,無論是發(fā)展中國家還是發(fā)達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,被各國家認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氣體,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,它被認為是新的能量儲存和運輸媒介。人們認為,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,阻止了它的進一步分解。這一作用被稱為天然氣水合物的“分解自保護”。為了確定溫度與天然氣水合物分解及自保護機理的關系,利用X射線的衍射實驗觀測了甲烷水合物的原位分解過程。實驗中,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,分解產物的擴散過程表明水合物表面被一層薄冰覆蓋。 為了進一步了解天然氣水合物分解過程中的自保護機理,采用分子動力學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)直接影響了傳質阻力的大小。當溫度不高于水的冰點時,冰膜中H2O分子的狀態(tài)與冰相似。此時,H2O分子的擴散系數(shù)比較低,冰膜傳質的阻力比較大。由于CH4分子必須穿過這層冰膜才能進逸出,阻礙了水合物的進一步分解,從而發(fā)生了分解自保護作用。當溫度不低于水的冰點時,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分子擴散的系數(shù)大大提高,冰膜傳質的阻力降低,水合物分解的自保護作用大幅度減弱。 比較了在不同抑制劑作用下,水合物分解和自保護作用的差異。通過室內實驗的方法對抑制劑抑制效果進行研究發(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)定結構,致使籠形結構瓦解,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作用。 隨著對水合物研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)多孔介質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)出來的自保護作用。討論了多孔介質中水合物的穩(wěn)定性,并通過實驗分析了多孔介質中水合物分解速率受邊界傳熱的影響。實驗發(fā)現(xiàn),如果多孔介質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。 建立熱力學和動力學模型,分析了水合物分解過程中的熱動力學特性。分析了應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前的研究重點之一 在考慮水合物分解的逆反應的基礎上,根據(jù)質量守恒和能量守恒定律,推導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。
【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：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，己經發(fā)現(xiàn)的大然氣水合物主要有二種結構:結構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。不同結構的水合物由尺寸和形伏不同的水分子籠形結構組成，如表卜1和圖1一1所示。I對口和n型結構中包含兩種孔穴:小孔穴和人孔穴，大孔穴的多面體變形之后，接近球形。H型結構中的人孔穴最接近球形，小孔穴與球形的差別最大。I型結構水合物是立方品體結構，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，反應生成的水分子在水合物表面結成一層冰膜，阻礙了反應產物的擴散，進而阻_，七了反應的持續(xù)快速進行[l9〕。Yal田shev等[z0]等對水合物白保護機理做了進一步研究，給出了了水合物自保護區(qū)域的溫度范圍(圖1一2)。大然氣水合物的白保護特性對在水合物地層進行個胡朵作業(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特性，大規(guī)模儲運大然氣也具有指導作用。

【引證文獻】

相關博士學位論文 前1條

1 賈瑞;天然氣水合物熱管式孔底快速冷凍機構及蒸汽法試開采試驗研究[D];吉林大學;2013年

本文編號：2715304