【最新】《奇特的能源：甲烷水合物》阅读答案-实用word文档 本文部分内容来自网络整理，本司不为其真实性负责，如有异议或侵权请及时联系，本司将立即删除！ == 本文为word格式，下载后可方便编辑和修改！ == 《奇特的能源：甲烷水合物》阅读答案 奇特的能源：甲烷水合物 现在人们普遍使用的能源中有煤、石油、天然气、电和太阳能等。前面三种能 源都直接来自地下，随着工业化程度的提高和人类对能源需求种类的急剧增加，这三种能源将面临枯竭的危险。人们就要从多种渠道发现或研究新的能源。 在地下或许还蕴藏着一种新型奇特的能源，其储量比全球已探明的煤、石油、 天然气的总量的三倍还要多。这种新能源就是甲烷水合物。甲烷水合物本身就 是一种天然气，它在高压低温的条件下，以水的形式出现，而且十分稳定。但 是一旦它被融化，可以释放出百倍于它体积的可燃气体——甲烷。 上世纪，这种水合物已在实验里研制出来了，但直到本世纪60年代后期，才在前苏联的永冰区第一次发现这种天然的水合物。当时前苏联科学家曾经预言过，在海洋底下只要具备相似条件，也可能蕴藏着大量天然的水合物冰。各国科学 家纷纷寻找着，已经获得的大量资料已证实了前苏联科学家预见的正确性。不 久前，在危地马拉沿岸海下817英尺处发现了这种水合物冰。目前正在对取回 的采样进行研究。前苏联科学家估计，在90％的海域和25％的陆地底下存在着这种水合物的冰带，不过某些科学家持否定意见。 前苏联科学家们还推断’，这些禁锢在水合物中的甲烷也许是从地球赤热的内 部逸出形成的，也许是由海洋深处的微生物沉积而形成的。至于陆地底下的水 合物冰，完全是由沧海变迁而成的。 如何开采利用这种新能源，有许多难题要解决。最大的难题是如何融化它，因 为它深深地埋藏在海洋底下或陆地底下。也许可以用热水或水蒸汽通下去将它 融化，但这就要耗费大量的能源，可能得不偿失。另一种办法就是采取开地缝 的措施，使地下的压力减少，让气体重新逸出，被人类利用。曾经在著名的斯 克里普斯钻井队工作过的地质学家赫斯认为，安全开采这种能源在技术上是完 全可能的，但只有在石油价格猛涨后才有可能提供开采的资金。 确实就目前而言，石油和天然气还暂时不短缺，但水合物冰的丰富储量和作为 未来的能源潜力足以引起科学界的轰动。相信，在不久的将来，人类一定可以 利用这种新型奇特的新能源。 11．第1段在文章中的作用是。
甲烷水合物 科技名词定义 中文名称：甲烷水合物英文名称：methane hydrate定义：以甲烷为主要成分的天然气水合物。应用学科：海洋科技（一级学科）；海洋科学（二级学科）；海洋地质学、海洋地球物理学、海洋地理学和河口海岸学（二级学科） 以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 百科名片 甲烷水合物球棍模型 甲烷水合物（methane hydrates）作为替代能源的行动。 甲烷水合物也称“可燃冰”，是甲烷气体和水分子形成的 笼状结晶，将二者分离，就能获得普通的天然气。这种外 面看起来像冰一样的物质是在高压低温条件下形成的，也 就是说，它通常存在于大陆架海底地层以及地球两极的永 久冻结带。 目录 简介 发现 形成储藏 储存量 联手勘测 双刃剑 开采利用 展开 编辑本段 简介 甲烷水合物,即可燃冰。 其化学式为CH4·xH2O “可燃冰”是未来洁净的新能源。它的主要成分是甲烷分 子与水分子。它的形成与海底石油、天然气的形成过程相 仿，而且密切相关。埋于海底地层深处的大量有机质在缺 氧环境中，厌气性细菌把有机质分解，最后形成石油和天 然气(石油气)。其中许多天然气又被包进水分子中，在海 底的低温与压力下又形成“可燃冰”。这是因为天然气有 个特殊性能，它和水可以在温度2～5摄氏度内结晶，这 个结晶就是“可燃冰”。因为主要成分是甲烷，因此也常 称为“甲烷水合物”。在常温常压下它会分解成水与甲烷，
“可燃冰”可以看成是高度压缩的固态天然气。“可燃冰”外表上看它像冰霜，从微观上看其分子结构就像一个一个“笼子”，由若干水分子组成一个笼子，每个笼子里“关”一个气体分子。目前，可燃冰主要分布在东、西太平洋和大西洋西部边缘，是一种极具发展潜力的新能源，但由于开采困难，海底可燃冰至今仍原封不动地保存在海底和永久冻土层内。 编辑本段 发现 早在1778年英国化学家普得斯特里就着手研究气体生成的气体水合物温度和压强。1934年，人们在油气管道和加工设备中发现了冰状固体堵塞现象，这些固体不是冰，就是人们现在说的可燃冰。1965年苏联科学家预言，天然气的水合物可能存在海洋底部的地表层中，后来人们终于在北极的海底首次发现了大量的可燃冰。 编辑本段 形成储藏 海洋板块活动而成 可燃冰由海洋板块活动而成。当海洋板块下沉时，较古老的海底地壳会下沉到地球内部，海底石油和天然气便随板块的边缘涌上表面。当接触到冰冷的海水和在深海压力下，天然气与海水产生化学作用，就形成水合物。科学家估计，海底可燃冰分布的范围约占海洋总面积的10%，相当于4000万平方公里，是迄今为止海底最具价值的矿产资源，足够人类使用1000年。 形成有三个基本条件 “可燃冰”的形成有三个基本条件：首先温度不能太高，在零度以上可以生成，0－10℃为宜，最高限是20℃左右，再高就分解了。第二压力要够，但也不能太大，零度时，30个大气压以上它就可能生成。第三，地底要有气源。因为，在陆地只有西伯利亚的永久冻土层才具备形成条件和使之保持稳定的固态，而海洋深层300－500米的沉积物中都可能具备这样的低温高压条件。因此，其分布的陆海比例为1∶100。 有天然气的地方不一定都有“可燃冰”，因为形成“可燃冰”除了压力主要还在于低温，所以一般在冰土带的地方较多。长期以来，有人认为我国的海域纬度较低，不可能存在“可燃冰”；而实际上我国东海、南海都具备生成条件。 储藏 东海底下有个东海盆地，面积达25万平方公里。经20年勘测，该盆地已获得1484亿立方米天然气探明加控制储量。尔后，中国工程院院士、海洋专家金翔龙带领的课题组根据天然气水化物存在的必备条件，在东海找出了“可燃冰”存在的温度和压力范围，并根据地温梯度、结合东海地质条件，勾画出“可燃冰”的分布区域，计算出它的稳定带的厚度，对资源量做了初步评估，得出“蕴藏量很可观”结论。这为周边地区在新世纪使用高效新能源开辟了更广阔的前景。 编辑本段 储存量 1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。科学家估计，海底可燃冰分布的范围约4000万平方公里，占海洋总面积的10%，海底可燃冰的储量够人类使用1000年。 随着研究和勘测调查的深入，世界海洋中发现的可燃冰逐渐增加，1993年海底发现57处，2001年增加到88处。据探查估算，美国东南海岸外的布莱克海岭，可燃冰资源量多达180
1引言 1.1研究的意义和目的 水合物是目前科学领域中的热门课题，不仅与石油天然气开采、储存和运输密切相关，而且与环境保护、气候变迁，特别是人类未来赖以生存的能源有关。一方面，由于水合物特殊的物理化学性质潜藏着巨大的工业应用潜能，另一方面，在天然气开采及储运过程中，其压力和温度会发生变化，尤其当天然气通过突缩孔眼时，由于摩擦耗能会产生较大的节流压降和温降。同时在天然气管道中，天然气的饱和含水量随天然气压力增加或温度降低而降低，在天然气经过变径管、阀门或过滤器、油嘴等节流时，虽然压力下降，但温度也下降，管道中天然气的饱和含水量随天然气压力增加或温度降低而降低，另外由于节流产生涡流，就有可能达到水合物生成的条件。水合物会导致阀门堵塞、气井停产、管道停输等严重事故，所以研究预测水合物的生成温度和压力条件以及如何防止水合物的生成是重要以及必要的。 通常，在输送天然气过程中清除水合物的方法是用热水或热蒸汽对管道进行加热，在水合物和金属接触点上，将温度提高到30～40℃，使水合物很快分解。据统计防止水合物生成的费用约占生产总成本的5～8%。在工程上对抑制剂用量不能准确计算，抑制剂的用量往往大于实际需求量，这样一方面不利于节约成本，另一方面导致不必要的环境污染 针对上述问题，需要用科学的实验方法，准确测定天然气水合物的生成条件，并筛选和评价抑制剂的抑制效果，从而为天然气集输管道水合物防治工作提供科学依据。同时，针对旅大10-1天然气压力高、流速高以及组分复杂的特殊情况，需要建立正确的天然气水合物生成预测模型及加入抑制剂后水合物的生成预测模型，并开发出相应的实用程序。 1.2国内外发展概况及分析 国内外预测水合物形成压力和温度的方法大致可分为经验公式法、图解法、相平衡计算法和统计热力学模型法四大类。 ⑴经验公式法是通过室外取样室内实验或现场测试水合物形成压力和温度,在此基础上,拟合得到的半经验或经验模型。经验、半经验模型具有简单、计算方便等优点,但使用范围狭窄,计算精度不高。 ⑵经验图解法是根据甲烷及不同相对密度天然气形成水合物的平衡曲线，大致确定
第30卷 第4期2009年7月 石油学报 AC TA PETROL EI SIN ICA Vol.30J uly No.42009 基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2006AA 09209)和中国石油化工股份有限公司“天然气水合物开发前期研究”项目(P 06070)联合资助。作者简介:任韶然,男,1960年9月生,1982年毕业于华东石油学院,现为中国石油大学(北京)石油工程学院教授,主要研究方向为提高采收率及水 合物开采机理研究。E 2mail :rensr @https://www.doczj.com/doc/fc15355511.html, 文章编号:025322697(2009)0420583205 多孔介质中甲烷水合物形成与分解实验研究 任韶然 刘建新 刘义兴 樊泽霞 刘永军 左景栾 于洪敏 (中国石油大学石油工程学院 山东东营 257061) 摘要:基于实际海洋水合物资源的赋存状态及温度、压力条件,在人工多孔介质中物理模拟海底水合物稳定带的水合物藏进行了 水合物的形成与分解的实验研究。分析甲烷水合物在多孔介质中的形成与降压开采过程,揭示了其温度、压力和产气速率的变化规律。采用逐步降压的方法测定了多孔介质中水合物在特定温度下最小分解推动力,比较了不同降压模式下的累计产气量。结果表明,水合物形成过程中通过不断注水保持系统压力,甲烷可完全生成水合物,最终水合物藏中仅有水和水合物两相;实验条件下水合物的分解主要受压差影响,压差越大,分解速率越大,累计产气量越高;在一定温度下水合物的分解需有一个最小推动力。比较不同降压模式发现,累计产气量只与压差有关,而与降压模式无关。 关键词:甲烷;气体水合物;水合物形成和分解;水合物资源;多孔介质;实验研究中图分类号:TE 66218 文献标识码:A Experimental study on formation and dissociation of methane hydrate in porous media REN Shaoran L IU L IU Y ixing FAN Zexia L IU Y ongjun ZUO Jingluan YU Hongmin (S chool of Pet roleum Engineering ,China Universit y of Pet roleum ,Dongy ing 257061,China ) Abstract :The formation and dissociation of methane hydrate in subsea sediments were experimentally studied in porous media under simulated hydrate stability zone conditions for subsea hydrate resources.The changes of pressure ,temperature and gas 2production rate during hydrate dissociation were investigated under various conditions of hydrate formation and dissociation.The driving force (drawdown pressure )for hydrate dissociation was studied using a step depressurization procedure.The cumulative gas production rates under different depressurization modes were compared to reveal the mechanism of gas production in hydrate 2bearing sediments.The experimental results show that the dissociation rate of hydrate mainly depends on the pressure drop.High pressure 2drop can re 2sult in high dissociation rate and gas recovery.A minimum driving force is required for hydrate dissociation under certain tempera 2tures.The cumulative gas production rate is related with the total pressure drop ,but not affected by the depressurization modes.K ey w ords :methane ;gas hydrate ;hydrate formation and dissociation ;hydrate resource ;porous media ;experimental study 天然气水合物作为未来的一种重要替代能源[1],具有资源量大、燃烧清洁无污染等优点[2],吸引了国内外众多能源工作者的关注。近年来,主要是针对深水钻完井过程中水合物在井筒中形成所造成的危害进行的水合物抑制的研究[3],而关于多孔介质中水合物生成与分解的规律研究尚处于实验室起步阶段。笔者利用中国石油大学(华东)水合物研究中心自行研发的实验装置合成均匀分布的模拟水合物藏并通过开采装置进行水合物的降压分解;揭示了在不同的开采方式下,水合物藏内部温度、压力和气体相态的变化规律并进行了产气和产液量的分析。 1 实验方法 111实验装置及材料 实验装置为中国石油大学(华东)天然气水合物研 究中心自行研发的气体水合物合成、开采和物性实验装置。 实验装置主要包括高压反应釜、加围压系统、注气供水系统、超声波和电阻测量系统、温度与压力测量系统、气液测量装置和数据采集系统等(图1)。装置的核心是高压反应釜,是一个直径为0112m ,长度为 0138m ,容积为4125L 桶状容器,最大工作压力为
天然气水合物 收稿日期:2007205231;修回日期:20072072041 基金项目:国家自然科学基金项目(编号:40472156);教育部厦门大学“211”工程和“985”二期工程资助项目联合资助.作者简介:雷怀彦(19602),男,陕西咸阳人,教授,博士生导师,主要从事海洋、油气和环境等地质研究工作.E -ma il :lhy @xm u .edu .cn . 海底甲烷水合物溶解和分解辨析及其地质意义 雷怀彦1,2,官宝聪1,龚承林1,刘建辉1,黄 磊1 (1.厦门大学海洋与环境学院近海海洋环境国家重点实验室,福建厦门361005;2.中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心,甘肃兰州730000) 摘要:甲烷水合物的溶解和分解过程是甲烷水合物成藏的关键科学问题,同时也是造成环境灾害事件的重要因素。近年来,在阅读甲烷水合物相关文献中发现有些作者对甲烷水合物溶解和分解的复杂动力学过程产生了一些混淆,并由此可能对甲烷水合物的成藏机理及其对环境气候变化影响的认识造成偏差。基于前人的大量研究成果,并结合作者多年对甲烷水合物形成和分解动力学过程的系统研究,认为海底存在一种甲烷气体的动态存储与排泄平衡作用,甲烷水合物的溶解和分解是海底甲烷气的主要排泄方式,也是甲烷水合物失稳后的2种不同的重要过程,同时,海底甲烷气的排泄量、运移方式和排放速率都与甲烷水合物成藏与否密切相关,因此深入认识甲烷水合物溶解和分解过程的控制机理,对海底甲烷水合物形成机制、成藏过程的研究和对全球碳循环、气候变化的评估有着重要的科学意义。 关键词:甲烷水合物;溶解;分解;动力学 中图分类号:T E 122 文献标识码:A 文章编号:167221926(2007)0420584204 在海洋地质环境中,甲烷主要以甲烷水合物、甲烷气泡和溶解甲烷气3种形式存在[123]。海底甲烷水合物藏是全球排烃作用的表现形式和结果之一。一方面,由于甲烷水合物对环境变化的敏感性,许多学者都认识到甲烷水合物与全球气候变化之间的密切关系。当海底温度、压力等条件发生变化时,甲烷水合物藏的稳定性遭到破坏,造成甲烷水合物持续发生分解或溶解,继而导致沉积物胶结强度和坡体稳定性的降低,引起海底滑坡,同时释放出大量甲烷气体进入海水,对海底生物多样性的保持构成威胁,甚至升入大气,引起全球气候变化,而且甲烷气体的逸出还会对全球碳循环系统的碳总量和碳同位素特征产生影响。另一方面,全球气候变化反过来又可影响甲烷从海底逸出速率的变化和在沉积物、海水中传输速率的变化。海底甲烷水合物的溶解和分解是海底甲烷气的主要排泄方式,二者是甲烷水合物失稳后发生的2种不同过程,溶解、分解的速率及其数量都会影响甲烷水合物的成藏过程。因此深入了解甲烷水合物溶解和分解的动力学过程及其影响因素, 对海底甲烷水合物形成机制和成藏过程研究,对全球碳循环和气候变化评估有着重要的科学意义。 1 海洋中甲烷水合物的不稳定性 甲烷的溶解度可以表示为温度(T )和压力(P )的函数[4]。有关研究表明,恒温4℃的纯水体系中甲烷水合物的稳定压力为4.31M Pa ,即表示当压力大于4131M Pa 之后,甲烷的溶解度会受到甲烷水合物形成的限制。图1是根据布莱克海台海底温度和压力剖面绘制的甲烷—海水—甲烷水合物系统相图[526]。图中左纵坐标的短虚线表示海底的深度(2775m ),实曲线表示相边界,虚曲线表示孔隙水中甲烷在未发生任何质量迁移条件下甲烷浓度的2个可能剖面(即包括被溶解的甲烷、水合物中的甲烷和游离甲烷气)[7]。由于甲烷水合物形成后会限制甲烷的溶解度,因此在某一指定深度甲烷溶解度所对应的压力要小于甲烷水合物的稳定压力或该深度的静水压力。 在海洋环境中,甲烷水合物的不稳定性表现为2 第18卷第4期 2007年8月 天然气地球科学 NA TU RAL GA S GEO SC IENCE V o l .18N o.4A ug . 2007
天然气水合物体系动态演化研究(Ⅲ ):水合物的产生、聚集和分解 张 岭, 宋海斌 (中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029) 摘 要 从天然气水合物的产生、聚集和分解,分析天然气水合物的动态演化过程.沉积压实、地温梯度、构造运动以及深部流体对水合物产生的效率起决定作用.根据流体的运移和天然气水合物在水合物稳定带中的分布状况,天然气水合物的聚集可以分为构造聚集、地层聚集和混合聚集三种模式.当由于各种原因引起海底温压条件变化时,天然气水合物会发生分解.水合物也会在水体中上浮,在这个过程中,水合物的分解速率能高出其溶解速率二至三个数量级.海底泥火山、甲烷气柱、甲烷气裂缝、双似海底反射等大量的证据,都有助于揭示天然气水合物体系的动态演化的特征.弄清楚天然气水合物的动态演化过程对于我们未来对这种潜在能源的开发利用,并分析其在全球变化、碳循环以及海底滑坡中所起的作用有着相当重要的意义.关键词 天然气水合物体系,动态演化,产生,聚集,分解 中图分类号 TE1,P631 文献标识码 A 文章编号 100422903(2003)0420592206 R esearches on dynamic evolution of gas hydrate system (Ⅲ): Form ation ,accumulation and decomposition of gas hydrate ZHAN G Ling , SON G Hai 2bin (Insitit ute of Geology and Geophysics ,Chi nese Academy of Sciences ,Beiji ng 100029,Chi na ) Abstract In this paper ,we analyze the dynamic evolution of gas hydrate based on its formation ,accumulation and decom 2position.Sedimentation/compaction ,geothermal gradient ,tectonic movements and deep fluid play a critical role in the for 2mation of gas hydrate.According to the mode of fluid migration and gas hydrate concentration within GHSZ ,gas hydrate accumulations are distinguished as structural accumulation ,stratigraphic accumulation and combination accumulation.When the temperature 2pressure condition of sea floor changes due to kinds of reasons ,gas hydrate will decompose.G as hydrate may rise through seawater.During this course ,the dissociation rate of gas hydrate can be 2to 3orders of magnitude greater than the dissolution rate.Submarine mud volcanoes ,methane plumes ,methane vents ,double bottom 2simulating reflections (dBSR )and other evidences can help to uncover the characteristics of the dynamic evolution of gas hydrate.To make clear the dynamic evolution of gas hydrate will shed light on the exploration and use of this potential energy in the future and analyses of its influence on global climate change ,carbon cycle and submarine slides.K eyw ords G as hydrate system ;dynamic evolution ,formation ,accumulation ,decomposition 收稿日期 2003205220; 修回日期 2003207210. 基金项目 国家重点基础研究发展规划项目(G2*******)、中国科学院全国优秀博士学位论文专项资金、中国科学院知识创新工程项目 (KZCX32SW 2219). 作者简介 张岭,男,1973年生,湖北应城人,中国科学院地质与地球物理研究所在读博士生,主要从事固体地球物理研究. 0 引 言 天然气水合物(G as Hydrate ),又称笼形包合物 (Clathrate ),它是在一定条件(合适的温度、压力、气体浓度、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.它可用M ?nH 2O 表示,M 为水合物中的气体分子,n 为水分子数.其中,天然气的主要成分有CH 4(甲烷)、C 2H 6(乙烷)、C 3H 8(丙烷)、C 4H 10(丁烷)等同系物,以及CO 2、N 2、H 2S 等,可形成单种或 第18卷 第4期 地 球 物 理 学 进 展 Vol.18 No.42003年12月(592～597) PRO GRESS IN GEOPHYSICS December 2003
第23卷第3期V o.l 23N o .3荆门职业技术学院学报Journal o f Ji ng m en T echn i ca l Co lleg e 2008年3月M a r .2008 [收稿日期]2007-11-07 [基金项目]国家自然科学基金资助项目(项目编号:29806009)。 [作者简介]许维秀(1966-),女,湖北钟祥人,荆楚理工学院副教授。研究方向:天然气水合物相关技术。E - m ai:l xu w eix i u @sohu .com 。甲烷水合物热稳定性的影响因素研究 许维秀 (荆楚理工学院化工学院,湖北荆门 448000) [摘 要] 采用恒压法、利用全透明蓝宝石釜及配套系统,考察了分解温度(245.15~271.15K )、生成 压力(5.5~7.0M Pa)、冷冻时间、搅拌对甲烷水合物分解率的影响。结果表明:甲烷水合物适宜的生成条件 为3.2 、压力6.5M P a 、静态、冷冻时间为4h 左右,甲烷水合物的适宜储运条件为常压、温度控制在-5 左右。 [关键词] 甲烷水合物;动力学;分解率;静态 [中图分类号] O 656 22 [文献标识码] A [文章编号] 1008-4657(2008)03-0001-06 0 引言 在永久冻土带和深海沉积层中存在着大量的天然气水合物,如何以经济、安全的方式从水合物矿床中开采天然气,既符合环保要求,又不会引起海底滑坡与沉积物崩塌,需要研究水合物形成与分解过程的热力学及动力学规律。以水合物的形式储存和运输天然气技术(简称NGH 技术)是目前国内外正着力开发的一种新的天然气储运技术,它具有储气密度高、安全可靠、环境友好且成本较低等优势,特别适用于海上及陆地偏远小气田的开发和中远距离(1000~12000k m )的天然气运输。NGH 技术中的气体水合物储运过程和水合物的分解动力学密切相关。由于我国西部和海洋的天然气储量非常丰富,开展针对天然气水合物储运技术的气体水合物热稳定性研究和本征分解动力学研究对我国具有重要的现实意义。 以往文献中对水合物生成动力学的研究已有较多报道,但对水合物分解动力学的研究则开展较少[1]。文中利用水合物静力学实验装置,测定甲烷水合物在不同温度、压力下的分解动力学数据,考察温度、生成压力、冷冻时间、是否搅拌对分解率的影响。研究结果为气体储运的水合物生产工艺提供依据。 1 实验 1.1 实验装置 实验所用的装置是实验室自行设计、自行组建的国内第一套气体水合物静力学实验装置[2,3],主要由高压釜、恒温空气浴、搅拌装置以及温度和压力测量系统四个部分组成,见图1。 高压釜及管路系统:实验装置的核心部件是安装在恒温空气浴中部的全透明高压蓝宝石釜(加拿大DB ROBI NSON 公司生产)。高压釜的最大工作体积为78c m 3 (包括活塞和搅拌子),最高工作压力为20M Pa ,工作温度范围为183~423K 。高压釜外配有LG100H 型冷光源(北京电光科学仪器厂生产)。釜内压力由JP-3手动泵(江苏海安石油仪器制造厂)调节,泵的最大工作压力为50MPa ,釜中带有一个密封活塞,可将增压流体与实验体系隔开。在本文工作中,采用石油醚(沸点333~363K )作为增压
#设计计算! 天然气水合物生成及分解设备工艺参数设计 吴玉国 1,3 陈树军2 付 越3 陈保东 3 (11中国石油大学(华东) 21上海交通大学制冷及低温工程研究所 31辽宁石油化工大学) 摘要 某文献中虽然设计了一种高效动态连续制备、分解固体天然气的工艺流程,但由于没 有对流程中的主要设备进行工艺参数设计,故该流程离实际应用还有一定距离。针对这种状况,进行了流程工艺参数的计算及主要设备的设计,为该技术的实验室及现场验证提供了理论数据。反应釜是整个流程中最重要的设备,所以重点设计了反应釜及其组成部分,给出了反应釜的特点、结构及容积设计外,还对净化装置、换热器和分离器进行了设计。 关键词 天然气水合物 工艺参数设计 反应釜 净化装置 换热器 分离器 引 言 随着我国国民经济的高速发展,天然气的需求量日益增加,发大量的天然气气田来满足需求。但由于天然气处于气态,存在运输与储存的难题。天然气水合物技术是将天然气由气态转化成固态水合物的形式,使其便于运输以及重新转化为气态天然气。而设计研究高效的水合物生产工艺是工业应用的基础。然而目前的天然气水合物工艺流程都存在着投资大,生产效率低,经济性差的不足,未能引起工业界的重视。为此,文献[1]探索设计了一种成本低廉,高效动态连续制备、分解固体天然气的工艺流程,为天然气水合物技术的工业化奠定了坚实的基础,但由于没有对流程中的主要设备进行工艺参数设计,所以该流程离实际应用还有一定的距离。针对这种情况,笔者进行了流程工艺参数的计算及主要设备的设计,为该技术的实验室及现场验证提供了理论数据。 设备与工艺流程 稳定的天然气水合物生成、分解工艺流程分别见图1和图2。 进入反应釜前,水和天然气各以1条支路流动。水进入制冰装置生成冰水混合物,块状冰进入研磨机,研磨为细小晶粒,再将含有冰晶粒的水由 水泵泵送至反应釜的上部。从下支路进入的天然气 与乙烷和丙烷混合后进入透平膨胀机降压至出口压力大于5MPa,达到压力的气体进入稳压缓冲罐内缓冲,然后进入换热器升温至20℃。最后通过喷嘴从反应釜底部喷入反应釜 。 图1 稳定的天然气水合物生成工艺流程图 图2 稳定的天然气水合物分解工艺流程图 生成水合物的标志是温度升高同时压力下降。反应消耗的气体与降低的压力,通过调节阀门开度 — 43— 石 油 机 械 CH I N A PETROLEUM MACH I N ERY 2007年 第35卷 第12期
第21卷第4期2006年4月 地球科学进展 ADVANCES I N E ART H SC I ENCE Vol.21 No.4 Ap r.,2006 文章编号:100128166(2006)0420394207 海底天然气水合物分解与甲烷归宿研究进展 陈 忠1,2,颜 文1,2,陈木宏1,王淑红1,2,肖尚斌1,陆 钧1,杨华平1,2 (1.中国科学院南海海洋研究所,广东 广州,510301; 2.中国科学院广州天然气水合物研究中心,广东 广州,510301) 摘 要:综述了近年来天然气水合物分解与甲烷归宿等方面的研究成果。天然气水合物的汇聚与地质构造或地层圈闭有关,其溶解受物质转换控制,分解则受热转换控制。水合物释放甲烷的运移方式包括分散式、中心式和大规模排放式。缺氧氧化和耗氧氧化是甲烷在海洋环境中的2种主要转化方式。天然气水合物释放甲烷的最终归宿主要为:①重新形成天然气水合物;②形成化能自养生物群落和沉淀出碳酸盐沉积;③与氧发生氧化后转变为CO 2 ;④直接排放进入到大气中。沉积物中的微构造、化能自养生物群落、自生碳酸盐矿物及其碳氧同位素组成是水合物释放事件的指纹记录。 关 键 词:天然气水合物;溶解和分解;运移方式;缺氧甲烷氧化与耗氧甲烷氧化;归宿与沉积中图分类号:P74 文献标识码:A 1 引 言 天然气水合物广泛分布在大陆汇聚边缘、离散 边缘或海岭的沉积物中。目前估算的海洋沉积天然气水合物的储量为(1～5)×1015m3甲烷(约500～2500Gt甲烷碳)[1],被视为是未来潜在的天然气资源、全球气候变化驱动因子以及海底地质灾害的潜在因素。甲烷是继CO 2 之后第二大重要温室气体,在大气中的停留间约为7.9年,对全球气候变暖影 响的潜力是CO 2 潜力的25倍[3]。海洋沉积的甲烷碳占海洋溶解无机碳的25%,约是大气甲烷碳的104倍[4],数百万年来曾引发剧烈的气候变化事件和生态环境事件。因此研究天然气水合物释放和甲烷归宿,对研究水合物的环境效应、碳的生物地球化学循环及全球气候变化具有重要意义。 本文综述了近年来甲烷的排放方式、氧化与转换、归宿和沉积及记录等方面的研究成果,对开展南海天然气水合物在哪里、有多少、剩多少的研究具有一定的科学意义。 2 天然气水合物汇聚与释放 2.1 水合物汇聚 天然气水合物出现在寒冷的高纬极区、大陆冻土带(<0℃)和海底温度低(4～6℃)、压力高(>3 MPa)、水深大于300～500m的沉积物中。天然气水合物的汇聚(gas hydrate accumulati on)和含量不受气体成因控制而是受气体来源控制,与地质构造或地层圈闭有关,但起关键作用的是进入沉积物的流体(气和水)。根据流体迁移模式和稳定带中水合物含量,水合物汇聚可分为3种类型[4]:构造型汇聚、地层型汇聚和复合型汇聚。 一般而言,构造型水合物汇聚出现在热解成因气、生物成因气、混合气沿断层面、泥火山及其它地质构造快速运移到水合物稳定带的区域,控制因素为流体通道的形状、流动速率、气体组成、温度场[4,5]。其特征是气流量高(high gas flux),水合物 收稿日期:2005209205;修回日期:2006202221. 3基金项目:国家自然科学基金项目“南海自然铝的成因及其对寻找油气、天然气水合物的指示意义”(编号:40406011);国家863计划青年基金项目“南海某些特征自生矿物的形成机理对水合物、油气探查的敏感性研究”(编号:2004AA616090)资助. 作者简介:陈忠(19702),男,云南石屏县人,副研究员,主要从事海洋矿物学与资源环境研究.E2ma il:chzhs outh@scsi https://www.doczj.com/doc/fc15355511.html,
甲烷水合物的生成与研究 天然气水合物是由天然气和水在低温高压环境下形成的似冰状白色固体物质，又称“可燃冰”，其广泛存在于海洋和大陆冻土层中。 天然气水合物作为一个重要的储藏甲烷的能源，含碳量大约相当于其他矿物燃料含碳量总和的２倍之多，被誉为２１世纪的新替代能源，我国２００７年在南海发现了水合物，因此，对天然气水合物的系统研究具有重要的意义。 根据天然气的运移情况和具体的地理地质环境将海底天然气水合物的形成体系划分为渗漏体系和扩散体系。 扩散体系下的天然气水合物形成较为缓慢，是由以甲烷为主的烃类气体在微生物或热作用下散布于海底松散的多孔沉积物中，在合适的温度和压力条件下生成水合物； 渗漏体系是海洋底部由于地壳构造活动产生的挤压或拉伸等变形作用或海洋沉积物的侧向挤压变形作用而出现的断层，使得圈闭中的烃类气体沿着该通道向上渗漏，形成稳定的水合物形成所需的气源，从而在较短的时间内快速生成天然气水合物。 在这２种形成体系中，渗漏型水合物储量更大，生成速度更快，具备更高的开采和利用价值。墨西哥湾存在典型的渗漏型水合物，据估计我国南海也可能存在这种类型的水合物藏。 目前对渗漏型水合物的研究较少，王玉彬等对渗漏型二氧化碳水合物的生成进行了初步的实验模拟；陈多福等对墨西哥湾渗漏型水合物沉淀比例进行了研究，表明１０Ka内有１３％的渗漏天然气沉淀
为水合物，渗漏系统天然气水合物成藏动力学为水合物资源评价提供了一种新的资源评价方法；曹运城等探讨了热传递对渗漏型水合物生成的影响，表明渗漏型水合物生成过程中的放热作用使沉积层地温升高，导致水合物生成稳定带厚度减少，从而使水合物分解；吴时国等对我国南海北部深水油气渗漏及水合物成藏之间的关系进行了探究，分析了南海北部渗漏型水合物成藏的可能性。
甲烷的危险有害特性表 标识中文名甲烷英文名Methane 分子式CH4危规号21007UN编号：1971 分子量16.04危险性类别第2.1类易燃气体 理化特性熔点(℃)-182.5沸点(℃)-161.5 燃烧热(kJ/mol)889.5 饱和蒸气压 (kPa) 53.32(-168.8℃) 相对密度(水=1) 0.42(-164℃) (空气=1) 0.55 外观性状无色无臭气体 溶解性微溶于水，溶于醇、乙醚 稳定性---聚合危害--- 禁忌物 强氧化剂、氟、 氯 燃烧(分解)产 物 一氧化碳、二氧化 碳 主要用途用作燃料和用于炭黑、氢、乙炔、甲醛等的制造 燃爆特性燃烧性易燃 建规火险分 级 甲 闪点(℃)-188引燃温度(℃)538 爆炸下限(V%) 5.3 爆炸上限 ( V%) 15 危险特性 易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。与五氧化溴、氯气、次氯酸、三氟化氮、液氧、二氟 化氧及其它强氧化剂接触剧烈反应 灭火方法 切断气源。若不能切断气源，则不允许熄灭泄漏处的火焰。喷水冷却容器，可能的话将容器从火场移至空旷处。灭火剂：雾状水、 泡沫、二氧化碳、干粉 毒性及健康危 害 车间卫生标 准 未制定标准 侵入途径吸入、皮肤接触 急性毒性 LD50：无资料 LC50：无资料 健康危害 甲烷对人基本无毒，但浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。当空气中甲烷达25％～30％时，可引起头痛、头晕、乏 力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共济失调。若不及时脱离， 可致窒息死亡。皮肤接触液化本品，可致冻伤。 急救措施皮肤接触若有冻伤，就医治疗 眼睛接触--- 吸入 迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸。就医 食入--- 应急急救措施
甲烷水合物 （重定向自甲烷氣水包合物） 甲烷因加热释放而燃烧，水分溢出（美国地质调查所）。 嵌入图：包合物结构? (Uni. G?ttingen, GZG. Abt. Kristallographie). 来源：美国地质调查所 另一种甲烷气水包合物结构:甲烷被十四面体（tetrakaidecahedral，24个水分子）的水笼结构。 甲烷气水包合物（Methane clathrate），也称作甲烷水合物、甲烷冰、天然气水合物或可燃冰[1]，为固体形态的水于晶格（水合物）中包含大量的甲烷。最初人们认为只有在太阳系外围那些低温、常出现冰的区域才可能出现，但后来发现在地球上许多海洋洋底的沉积物底下，甚至地球大陆上也有可燃冰的存在，其蕴藏量也较为丰富。 甲烷气水包合物在海洋浅水生态圈中是常见的成分，他们通常出现在深层的沉淀物结构中，或是在海床处露出。甲烷气水包合物据推测是因地理断层深处的气体迁移，以及沉淀、结晶等作用，于上升的气体流与海洋深处的冷水接触所形成。在高压下，甲烷气水包合物在18 °C的温度下仍能维持稳定。一般的甲烷气水化合物组成为1 摩尔的甲烷及每5.75摩尔的水，然而这个比例取决于多少的甲
烷分子“嵌入”水晶格各种不同的包覆结构中。据观测的密度大约在0.9 g/cm3。一升的甲烷气水包合物固体，在标准状况下，平均包含168 升的甲烷气体。 甲烷形成一种结构一型水合物，其每单位晶胞内有两个十二面体（20个端点因此有20个水分子）和六个十四面体（tetrakaidecahedral，24个水分子）的水笼结构。其水合值（hydratation value）20可由MAS NMR来求得。[2]甲烷气水包合物频谱于275 K和3.1 MPa下记录，显示出每个笼形都反映出峰值，且气态的甲烷也有个别的峰值。 天然存量 已确定与推测中可能有甲烷冰蕴藏的大陆棚海域。资料来源：USGS 甲烷气水包合物受限于浅层的岩石圈内（即< 2000 m深）。此外，发现在一些必要条件下，惟独在极地大陆的沉积岩，其表面温度低于0 °C，或是在水深超过300 m，深层水温大约2 °C的海洋沉积物底下。大陆区域的蕴藏量已确定位在西伯利亚和阿拉斯加800 m深的砂岩和泥岩床中。海生型态的矿床似乎分布于整个大陆棚（如图），且可能出现于沉积物的底下或是沉积物与海水接触的表面。他们甚至可能涵盖更大量的气态甲烷。[3] 形成条件与分布规律 了它的特殊分布。从目前来看，天然气水合物主要分布在地球上两类地区：一类地区是水深为300m～4000m的海洋，在这里，天然气水合物基本是在高压条件下形成的，主要分布于海底以下0～1500m的松散沉积层中；另一类地区是高纬度大陆地区永冻土带及水深100～250m以下极地陆架，在这里，天然气水合物主要是在低海面时期低温条件下形成。
收稿日期:2006 02 20;基金来源:国家自然科学基金项目(NO 20490207);作者简介:周锡堂(1964 ),副教授,博士生,电话020 ********,电邮zhoux t@ms g iec ac cn 。 专论综述 天然气水合物分解动力学研究进展 周锡堂1,2,3,陶鲜花3,庞重军3 (1 中国科学院广州能源研究所,广州510640,2 中国科学院研究生院,北京,100049; 3 茂名学院,广东茂名 525000) 摘要:人们对气体水合物的实质性研究始于对天然气管道运输中遇到的天然气水合物堵塞问题。由于在油气生产与运输及未来能源产业中的重大价值,近年来有关天然气水合物的性质及其生成和分解过程成了人们关注和研究的热点。目前,关于水合物的相平衡理论、热力学性质、生成预测方法及其结构的研究已经相当深入;而关于其分解过程的研究相对来说起步较晚。国内天然气水合物分解动力学的研究基本上还处于空白状态,国外也是在1987年才开始。但是从实际生产的角度考虑,天然气水合物分解动力学的研究是很有实际意义的。本文试图对近年来国外在天然气水合物分解动力学研究方面取得的进展做出分析和评价,并提出今后的发展方向。 关键词:天然气水合物;分解;动力学 中图分类号:T Q 031 3 文献标识码:A 文章编号:1001 9219(2006)05 70 04 当Davy [1]于1810年在实验室发现氯气的水合物时,这一发现并没有引起学者们多大的关注,对天然气水合物进行的研究也很少。20世纪30年代,俄罗斯远东地区的天然气输送遇到了管道堵塞问题,研究表明这是由于在自然条件下形成了天然气水合物。据此,前苏联学者预测自然界存在天然气水合物,并于20世纪60年代在北极圈附近通过探测证实其大量赋存[2],引起了有关国家和学者极大的重视。此后人们对天然气水合物的结构、性质、形成和分解及相应的抑制和促进机理进行了大量研究 [3 8] 。 天然气水合物的实验室研究是了解和认识水合物结构、性质的重要手段。对天然气水合物的生成和分解过程的实验室模拟研究更是为天然气储运和未来的水合物开采创造技术条件,或者说是一种经济有效的技术研发和储备。应该说,经过几十年的探索和研究,人们对于天然气水合物的结构、性质和相平衡的认识已经取得了长足的进展,关于水合物的成核、生长、促进和抑制的机理研究既有理论构想,也有实验验证。理论和经验都证明,在同等条件下,借助于机械的或流体的搅拌,天然气水合物能更 快地生成[9]。因此,关于水合物在搅拌式或喷射式反应器中生成和分解的研究较多,而模拟水合物在自然赋存状况下 多孔介质电解液中的生成和分解的研究则由于情况更为复杂而相对较少。 然而在现实中,水合物的分解过程尤其是关于它的动力学的探究却有十分重要的意义。从海洋地质和大气环境来说,由于目前的全球变暖,蕴藏于海底的大量天然气水合物稳定条件遭到破坏,有可能加快分解并将大量温室气体 甲烷释放到大气中。其后果不仅是加速地球变暖海面上升,海底和陆坡也可能发生崩塌和滑坡从而引发海啸之类的灾难。事实上,对这些消极性后果的预测更多地有赖于对自然赋存天然气水合物的动力学研究,即一旦具备了分解的热力学条件,这些天然气水合物将在多长时间内大量分解,从而实质上造成危害人类的地质和环境灾难?如果说地震何时发生目前还难以准确预测的话,由上述原因导致的严重后果则是完全可以预知并采取相应的防范措施的。以水合物形式储运天然气是人们非常感兴趣并正在研究的一个新课题。天然气的分解速率和形成速率一样是决定这种安全有效的储运方式能否付诸实施的关键之一[10]。特别是,自从20世纪60年代发现地球冻土带和海底沉积层中赋存大量天然气水合物以来,安全高效