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微波作用下天然氣水合物分解的研究進展及應用前景
微波作用下天然氣水合物分解的研究進展及應用前景 作者: 李棟梁 樊栓獅(中國科學院廣州能源研究所氣體水合物中心，廣州) 收錄來源: 中國新能源網(wǎng)
【摘要】微波具有獨特的加熱效果，已經(jīng)有實驗證明微波對天然氣水合物的分解有很大的促進作用，具有一定的應用前景，本文將對微波和天然氣水合物的作用的國內(nèi)外實驗研究進展進行介紹，并對之進行適當評述，最后對微波在天然氣工業(yè)中的應用進行展望。 天然氣水合物（Natural Gas Hydrate，簡稱Gas Hydrate），又稱籠形包合物（Clathrate），它是在一定條件（合適的溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、pH值等）下由水和天然氣組成的類冰的、非化學計量的、籠形結晶化合物，其遇火即可燃燒，俗稱“可燃冰”。它可用M.nH2O來表示，M代表水合物中的氣體分子，n為水合指數(shù)（也就是水分子數(shù)）。組成天然氣的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等。
微波與無線電波、紅外線、可見光一樣都是電磁波，微波是指頻率為300MHz-300KMHz的電磁波，即波長在1米到1毫米之間的電磁波。在工業(yè)中常用來做加熱的微波頻率為2450MHz和915MHz。
微波在化學工業(yè)中已取得了很多成果，并已大量應用于各種化學工業(yè)中，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸成為一門新興學科--微波化學。主要原因是微波具有獨特的加熱性能，其加熱與其他的加熱方式不同，熱量從介質內(nèi)部產(chǎn)生，溫度場比較均勻，所以非常有利于化學反應的進行。而天然氣水合物是一種極性分子，它對微波有一定的吸收作用（天然氣水合物的介電常數(shù)大約為58，比冰略小[1]），在微波的輻射下會產(chǎn)生熱效應而分解。因此，在微波的作用下，可以加快天然氣水合物的分解，也可以抑制水合物的生成。 1．國內(nèi)外研究進展1．1 國外對微波和天然氣水合物作用的實驗研究 國外對水合物的研究起步較早，但由于實驗難度太大，對微波和水合物的研究也很少，1999年3月，美國密西西比州立大學的教授R. E. Rogers作了一個報告，他在報告中提到了的他們的一點研究[3]。其實驗裝置如圖1所示。 圖1 微波實驗裝置簡圖
實驗中的天然氣水合物由該實驗裝置制備，為了保證實驗的可重復性和實驗用水完全生成水合物，在水合物生成四天后才做微波分解實驗，微波源為2450MHz，最大功率為1500瓦，微波的加入功率從60瓦逐漸增加到860瓦，實驗結果如圖2所示
圖2 微波功率與氣體產(chǎn)生率的關系
在研究中發(fā)現(xiàn)在微波到190瓦時，溫度有一個向下的尖峰，而這時的氣體分解率最大�？上У氖亲髡叩闹饕蝿帐茄芯坑锰烊粴馑衔镞M行儲氣，認為大量的水合物分解可以用更經(jīng)濟的方法得到，例如利用火電廠冷卻塔的熱水，因此實驗研究沒有延續(xù)下去。 1．2我國對微波和天然氣水合物作用的實驗研究 天然氣水合物的研究在我國起步較晚，而研究微波和天然氣水合物的相互作用也剛剛開始，據(jù)文獻[2]報道，集美大學的張軍、魏愛軍等曾經(jīng)對其做過研究，其實驗系統(tǒng)和實驗裝置如圖3。 圖3 實驗系統(tǒng)示意圖 注：1.微波源；2.波導；3.定向偶合器；4.矩圓過度器；5.水合物容器（包括5-1透明管，5-2、5-3容器進出口閥）；6.水管；7.水龍頭 實驗所用的的微波源為3kW、10GHz，水合物樣品取自四川石油管理局川西北礦區(qū)，并用冰柜低溫保存。通過實驗得出的結論為：
（1）微波對天然氣水合物的分解作用非常明顯，只要數(shù)十瓦的作用功率，就會使水合物生成區(qū)域內(nèi)的溫度很快升高至分解溫度以上，從而使水合物能夠在很短的時間內(nèi)分解。
（2）對于一定的微波作用功率，微波作用區(qū)域內(nèi)（水合物）的溫度隨微波作用時間呈近似線形升高。
（3）提高微波作用功率，單位時間內(nèi)的平均溫升增大，水合物分解速度也增大。 1．3結果分析 把微波獨特的加熱作用及電磁特性應用于天然氣水合物是一項新的課題，存在著許多難題，但從已做的實驗和得出的結論來看，微波對天然氣水合物的分解作用明顯，在防止管道堵塞、水合物儲氣等工業(yè)中水合物的快速分解已水合物資源的開采等工業(yè)中具有良好的應用前景。 2．微波在天然氣工業(yè)中的應用展望
2．1防止水合物生成
在天然氣由井底流向井口時，因壓力和溫度的變化，使天然氣中所含的水與烴生成水合物，造成管道堵塞。通常采用加熱或注入抑制劑（如甲醇、乙二醇等）的方法防止其形成。而微波在管道中可以傳播較遠的距離，管道可以當波導使用，這樣就可以在天然氣井口管道上安裝微波發(fā)生器，利用微波進行加熱，防止水合物生成[4]。和加注抑制劑和常規(guī)加熱法相比，微波加熱具有很大的靈活性，并且具有作用時間短，無污染等優(yōu)點，而抑制劑還必須進行回收。
2．2水合物快速分解 用天然氣水合物進行儲存及運輸天然氣是一種被認為是一種新型的經(jīng)濟的方式，1m3完全飽和的甲烷天然氣水合物包含164m3的甲烷和0.87m3的水，現(xiàn)在已經(jīng)找到比較經(jīng)濟的在適合溫度下生成水合物的方法，用天然氣水合物進行儲存及運輸天然氣已經(jīng)在國內(nèi)外投入大量研究，但還存在一定問題，其中用水合物進行儲存后如何快速汽化將是需要解決的問題。另外，隨著石油資源的日漸枯竭及城市污染的日益嚴重，國內(nèi)外都在試行推廣天然氣汽車。美國已在試驗將天然氣轉化為水合物（其平衡壓力僅為40個大氣壓）作為車用燃料[5]。所涉及的關鍵技術是如何使水合物快速汽化，已滿足內(nèi)燃機系統(tǒng)的要求。基于上述要求，應用微波快速加熱，而在金屬容器內(nèi)部可進行多次反射的特點，可以在儲水合物裝置上設一個微波輸入口，該口用不吸收微波的材料（例如陶瓷，玻璃鋼，聚四氟乙烯等）密封，在需要用氣的時候用一定功率的微波照射即可。在汽車上可用電瓶做微波發(fā)生器的電源，這樣可以保證汽車啟動時的用氣量。另外，天然氣通過節(jié)流后，溫度下降很大，極易形成水合物造成管道堵塞[6]，微波加熱正好可以滿足上述要求。 2．3利用微波加熱開采天然水合物 對從氣體水合物中提取天然氣的方法目前主要分有三類，分別為：熱激發(fā)法、化學試劑法、減壓法。其中熱激發(fā)法主要是將蒸汽、熱水、熱鹽水或其它熱流體從地面泵入水合物地層，也可采用開采重油時使用的火驅法或利用鉆柱加熱器，總之只要能促使溫度上升達到水合物分解的方法都可稱為熱激發(fā)法。熱開采技術的主要不足是會造成大量的熱損失，效率很低。特別是在永久凍土區(qū)，既使利用絕熱管道，永凍層也會降低傳遞給儲集層的有效熱量。 近年來人們?yōu)榱颂岣邿峒ぐl(fā)法的效率采用井下裝置加熱技術，井下電磁加熱方法就是其中之一。實踐證明電磁加熱法是一種比常規(guī)開采技術更為有效的方法，其在開采重油方面已顯示出它的有效性。這種方法就是在垂直（或水平）井中沿井的延伸方向在緊鄰水合物帶的上下（或水合物層內(nèi)）放入不同的電極，再通以交變電流使其生熱直接對儲層進行加熱。儲層受熱后壓力降低，通過膨脹產(chǎn)生氣體。而在電磁加熱的方法中，選用微波加熱將是最有效的方法，使用此方法時可直接將微波發(fā)生器至于井下，利用儀器自身重力使發(fā)生器緊貼水合物層，這樣效果將更好，發(fā)生器可加驅動裝置，使其在井下自由移動，這種方法可適合于開采各型天然氣水合物資源，而化學試劑法不適合于開采海洋型天然氣水合物，各種激發(fā)方式比較見表1。 當然，單單采用某一種方法來開采天然氣水合物是不經(jīng)濟的，只有結合不同方法的優(yōu)點才能達到對水合物的有效開采。若將降壓法和熱開采技術結合使用將會展現(xiàn)出誘人的前景，即：用熱激發(fā)法分解氣水合物，而用降壓法提取游離氣體。 表1 各種激發(fā)方式比較 激發(fā)方式 優(yōu) 點 缺 點 化學試劑 方法簡單，使用方便 費用昂貴，作用緩慢，不宜在開采大洋水合物使用 減壓法 不需要昂貴的連續(xù)激發(fā)，成本低 作用緩慢，效率低 加注熱水 作用速度較快 是會造成大量的熱損失，效率很低。特別是在永久凍土區(qū)，既使利用絕熱管道，永凍層也會降低傳遞給儲集層的有效熱量。 電磁加熱 作用速度快
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