微波作用下天然气水合物分解的研究进展及应用前景

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。
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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


2．1防止水合物生成


  在天然气由井底流向井口时，因压力和温度的变化，使天然气中所含的水与烃生成水合物，造成管道堵塞。通常采用加热或注入抑制剂（如甲醇、乙二醇等）的方法防止其形成。而微波在管道中可以传播较远的距离，管道可以当波导使用，这样就可以在天然气井口管道上安装微波发生器，利用微波进行加热，防止水合物生成[4]。和加注抑制剂和常规加热法相比，微波加热具有很大的灵活性，并且具有作用时间短，无污染等优点，而抑制剂还必须进行回收。

2．2水合物快速分解

用天然气水合物进行储存及运输天然气是一种被认为是一种新型的经济的方式，1m3完全饱和的甲烷天然气水合物包含164m3的甲烷和0.87m3的水，现在已经找到比较经济的在适合温度下生成水合物的方法，用天然气水合物进行储存及运输天然气已经在国内外投入大量研究，但还存在一定问题，其中用水合物进行储存后如何快速汽化将是需要解决的问题。另外，随着石油资源的日渐枯竭及城市污染的日益严重，国内外都在试行推广天然气汽车。美国已在试验将天然气转化为水合物（其平衡压力仅为40个大气压）作为车用燃料[5]。所涉及的关键技术是如何使水合物快速汽化，已满足内燃机系统的要求。基于上述要求，应用微波快速加热，而在金属容器内部可进行多次反射的特点，可以在储水合物装置上设一个微波输入口，该口用不吸收微波的材料（例如陶瓷，玻璃钢，聚四氟乙烯等）密封，在需要用气的时候用一定功率的微波照射即可。在汽车上可用电瓶做微波发生器的电源，这样可以保证汽车启动时的用气量。另外，天然气通过节流后，温度下降很大，极易形成水合物造成管道堵塞[6]，微波加热正好可以满足上述要求。