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微波作用下天然气水合物分解的研究进展及应用前景

时间:2007-1-27栏目:石油能源论文

  作者: 李栋梁 樊栓狮(中国科学院广州能源研究所气体水合物中心,广州) 收录来源: 中国新能源网
  
  【摘要】微波具有独特的加热效果,已经有实验证明微波对天然气水合物的分解有很大的促进作用,具有一定的应用前景,本文将对微波和天然气水合物的作用的国内外实验研究进展进行介绍,并对之进行适当评述,最后对微波在天然气工业中的应用进行展望。
  
  天然气水合物(Natural Gas Hydrate,简称Gas Hydrate),又称笼形包合物(Clathrate),它是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等)下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物,其遇火即可燃烧,俗称“可燃冰”.它可用M.nH2O来表示,M代表水合物中的气体分子,n为水合指数(也就是水分子数)。组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、
  
  C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等。
  
  微波与无线电波、红外线、可见光一样都是电磁波,微波是指频率为300MHz-300KMHz的电磁波,即波长在1米到1毫米之间的电磁波。在工业中常用来做加热的微波频率为2450MHz和915MHz.
  
  微波在化学工业中已取得了很多成果,并已大量应用于各种化学工业中,现在已经逐渐成为一门新兴学科--微波化学。主要原因是
  
  微波具有独特的加热性能,其加热与其他的加热方式不同,热量从介质内部产生,温度场比较均匀,所以非常有利于化学反应的进行。而天然气水合物是一种极性分子,它对微波有一定的吸收作用(天然气水合物的介电常数大约为58,比冰略小[1]),在微波的辐射下会产生热效应而分解。因此,在微波的作用下,可以加快天然气水合物的分解,也可以抑制水合物的生成。
  
  1.国内外研究进展
  
  1.1 国外对微波和天然气水合物作用的实验研究
  
  国外对水合物的研究起步较早,但由于实验难度太大,对微波和水合物的研究也很少,1999年3月,美国密西西比州立大学的教授R. E. Rogers作了一个报告,他在报告中提到了的他们的一点研究[3].其实验装置如图
  
  1所示。
  
  图1 微波实验装置简图
  
  实验中的天然气水合物由该实验装置制备,为了保证实验的可重复性和实验用水完全生成水合物,在水合物生成四天后才做微波分解实验,微波源为
  
  2450MHz,最大功率为1500瓦,微波的加入功率从60瓦逐渐增加到860瓦,实验结果如图2所示
  
  图2 微波功率与气体产生率的关系
  
  在研究中发现在微波到190瓦时,温度有一个向下的尖峰,而这时的气体分解率最大。可惜的是作者的主要任务是研究用天然气水合物进行储气,认为大量的水合物分解可以用更经济的方法得到,例如利用火电厂冷却塔的热水,因此实验研究没有延续下去。
  
  1.2我国对微波和天然气水合物作用的实验研究
  
  天然气水合物的研究在我国起步较晚,而研究微波和天然气水合物的相互作用也刚刚开始,据文献[2]报道,集美大学的张军、魏爱军等曾经对其做过研究,其实验系统和实验装置如图3.
  
  图3 实验系统示意图
  
  注:1.微波源;2.波导;3.定向偶合器;
  
  4.矩圆过度器;5.水合物容器(包括5-1透明管,5-2、5-3容器进出口阀);6.水管;7.水龙头
  
  实验所用的的微波源为3kW、10GHz,水合物样品取自四川石油管理局川西北矿区,并用冰柜低温保存。通过实验得出的结论为:
  
  (1)微波对天然气水合物的分解作用非常明显,只要数十瓦的作用功率,就会使水合物生成区域内的温度很快升高至分解温度以上,从而使水合物能够在很短的时间内分解。
  
  (2)对于一定的微波作用功率,微波作用区域内(水合物)的温度随微波作用时间呈近似线形升高。
  
  (3)提高微波作用功率,单位时间内的平均温升增大,水合物分解速度也增大。
  
  1.3结果分析
  
  把微波独特的加热作用及电磁特性应用于天然气水合物是一项新的课题,存在着许多难题,但从已做的实验和得出的结论来看,微波对天然气水合物的分解作用明显,在防止管道堵塞、水合物储气等工业中水合物的快速分解已水合物资源的开采等工业中具有良好的应用前景。
  
  2.微波在天然气工业中的应用展望

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