CN101530763A - 利用co2气体置换甲烷水合物的研究系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用CO₂气体置换甲烷水合物的研究系统，包括高压反应釜、供气系统、温度控制系统、气相组分检测系统、数据采集系统，反应釜侧壁上开有两个对称的视窗口装有可视化功能的耐压光学玻璃；反应釜被冷却水套包裹在其中，冷却水套通过温度控制系统控制恒定温度；高压反应釜进气口外接进气系统，气体采集口接气相组分检测系统，高压反应釜上温度传感器和压力传感器外接数据采集系统，该研究系统耐压，操作方便，便于监控，采用的磁力耦合搅拌系统，既解决了高压旋转密封性能差的问题，又运行可靠，无噪音，可视化的结构设计便于实时观察实验现象。

Description

利用CO2气体置换甲烷水合物的研究系统

技术领域

本发明涉及一种气体水合物的制备与置换研究装置，特别涉及一种利用CO₂气体置换甲烷水合物的研究系统。

背景技术

利用水合物的形式来处理二氧化碳等温室气体是目前国际水合物界关注的热点之一。将电厂燃烧排放的二氧化碳气体注入海底在一定条件下制成气体水合物状进行隔离，由于二氧化碳水合物密度比海水大，可以永久性的储存于海底，而且这种方法对海洋生态环境的影响很小。

从另一方面来讲，随着传统能源供应量的逐渐减少，人类对非传统能源的需求越来越大，水合物中的天然气将会成为一种重要而清洁的潜在能源。人们发现在永冻土地区和海洋沉积物中天然气水合物储量极为丰富，其中陆地资源量为3.4×10¹⁶m³，海洋资源量为7.6×10¹⁸m³，甲烷总含量约为1.8-2.1×10¹⁶m³，有机含碳量是已探明所有化石燃料含碳量的两倍以上，能量密度是传统天然气的2-5倍。对于面临能源危机的人类来说，天然气水合物无疑具有极大的吸引力。

由于天然气水合物是一种重要的能源载体，因此如何有效开采、合理运用是水合物研究的关键。天然气水合物与传统能源有所不同，水合物在开采过程中会发生相变。煤炭始终为固体，石油始终为液态流体，在一定温度与压力条件下以固体形式在自然界中广泛存在的天然气水合物，一旦温度与压力发生改变，将会释放出大量的甲烷气体。基于上述特点，日本、美国、挪威等国及一些石油公司已探索出3种开发技术方案：热激法、减压法和化学试剂法，其中热激法主要是将热流体从钻井平台泵入水合物沉积层，采用升温方法促使水合物分解。降压法是通过降低压力打破天然气水合物稳定存在的条件，促使其分解。化学试剂法是采用某些化学剂，如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等可以改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定的温度。当将上述化学剂从井孔泵入后，就会引起天然气水合物的分解。基于天然气水合物矿藏的组分多样性，采用某种单一技术方法开采水合物是不理想的，只有结合各种方法的优点，才能有效合理的开采天然气水合物。在过去20多年，上述开采技术已用于俄罗斯西伯利亚永冻土地区的水合物开发，实现了回收CH₄的目的。但据文献报道，通过外部扰动从水合物沉积层中获取CH₄有可能会出现海底滑坡现象，造成严重地质灾害。因此为维护水合物沉积层的稳定性，减少CO₂在大气中的含量，CO₂置换法作为一种集温室气体储存和天然气水合物开发于一体的方法引起研究者的注意。相同温度下CO₂水合物的生成压力比CH₄水合物的生成压力低，当CO₂注入地下水合物储层后，CH₄水合物会转化为更稳定的CO₂水合物。在此过程中，水合物的生成和分解同时进行，避免了水合物单纯分解过程所需要的热量，由于CH₄水合物生成时放出的热量小于CO₂生成水合物时放出的热量，所以还可以避免水合物分解过程中的自保护作用。因此，这种方法不仅可以避免一些常规开采方法的缺点，例如：降压法起效速度慢、效率低，加热分解法热量来源无法解决，加入抑制剂法成本高且易对地层产生伤害等。

由此看来，利用CO₂置换甲烷水合物不仅可以固定大气中的CO₂，减少温室效应的影响，而且还可以利用它开采储藏在海底的大量的天然气水合物资源，进一步缓解当前的能源危机现状。可谓是解决了世界的两大难题，因此用CO₂置换甲烷水合物法具有极大的研究和利用价值。

发明内容

本发明是针对常规开采天然气水合物方法效率低、对自然环境破坏性大的问题，提出了一种利用CO₂气体置换甲烷水合物的研究系统，此研究系统可以开采储藏在海底的大量的天然气水合物资源，缓解当前的能源危机现状，还可以固定大气中的CO₂，减少温室效应的影响。

本发明的技术方案为：一种利用CO₂气体置换甲烷水合物的研究系统，包括高压反应釜、供气系统、温度控制系统、气相组分检测系统、数据采集系统，高压反应釜端盖上设有进气口，气体组分采集口，温度传感器安装螺纹口和压力传感器安装螺纹口，高压反应釜下面通过阀接排气泄水口；永磁体搅拌电机固定安装在反应釜端盖上，位于反应釜的中部，下端接有搅拌叶片；反应釜侧壁上开有两个对称的视窗口装有可视化功能的耐压光学玻璃，用耐压光学玻璃与法兰用O型圈密封；反应釜被冷却水套包裹在其中，冷却水套通过温度控制系统控制恒定温度；温度传感器安装螺纹口和压力传感器安装螺纹口分别接温度传感器和压力传感器，进气口外接进气系统，气体采集口接气相组分检测系统，温度传感器和压力传感器外接数据采集系统。

所述供气系统由两个分别装有CO₂气体和甲烷气体的高压气瓶、高压表、压力调节器和四个高压垂直二通阀、减压阀、压力表和真空泵组成，装有CO₂气体和甲烷气体的两个高压气瓶分别通过连接一个高压垂直二通阀后一起顺序接入高压表，减压阀，低压表，压力调节器，然后一路通过高压垂直二通阀到真空泵，另一路通过高压垂直二通阀进入高压反应釜。

所述的温度控制系统包括低温恒温水浴、循环水泵、冷却水进口、冷却水套、冷却水出口，由低温恒温水浴出来的冷媒水依次通过循环水泵、冷却水进口、冷却水套、冷却水出口，再回到低温恒温水浴。

所述数据采集系统包括温度传感器、压力传感器、数据采集模块和数据采集软件以及监控计算机，计算机采集系统，信号线与安装在反应釜上的温度传感器、压力传感器相连，信号线将数据送入计算机采集系统进行记录保存。

所述的气相组分检测系统包括高压垂直二通阀、气体采集袋、气相色谱仪，气体采集口通过高压垂直二通阀接气体采集袋，实时采集气体，采集到的气体通过用气相色谱仪对其进行检测分析。所述气相采集口的管路上除了连接气相组分检测系统，还连接有排气阀和压力表，排除未完全反应的气体。

本发明的有益效果在于：本发明利用CO₂气体置换甲烷水合物的研究系统耐压，操作方便，便于监控，采用的磁力耦合搅拌系统，既解决了高压旋转密封性能差的问题，又运行可靠，无噪音，可视化的结构设计便于实时观察实验现象。

附图说明

图1为本发明利用CO₂气体置换甲烷水合物的研究系统示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明研究系统包括高压反应釜14、供气系统、温度控制系统、气相组分检测系统、数据采集系统。

高压反应釜14的端盖17上有进气口12，气体采集口23，温度传感器和压力传感器安装螺纹口，高压反应釜14下部通过阀16接排气泄水口26；反应釜14侧壁上开有两个对称的具有可视化功能的耐压光学玻璃视窗口24，耐压光学玻璃与法兰用O型圈密封；动力装置永磁体搅拌电机13固定安装在反应釜14的端盖17上，位于反应釜的中部，永磁体搅拌电机13下端接有搅拌叶片15，采用磁力耦合搅拌技术，以静密封代替了动密封，解决了高压旋转密封性能差的问题；反应釜被冷却水套25包裹在其中，进气口12通供气系统，气体采集口23通气体组分检测系统，温度传感器安装螺纹口和压力传感器安装螺纹口分别接温度传感器21和压力传感器22，温度传感器21、压力传感器22外接数据采集系统，冷却水套25通过温度控制系统控制恒定温度，反应釜腔体被冷却水套25包围，循环冷却水与反应釜在壳体进行换热，温度控制方便，大大缩短了釜内温度响应时间，高压反应釜材料为316L不锈钢，釜内最大承受压力为20MPa，端盖与釜体采用螺纹连接，之间用丁晴橡胶垫圈密封。

供气系统包括甲烷气瓶1、CO₂气瓶2，高压垂直二通阀3、4、9、11，高压表5，减压阀6，低压表7，压力调节器8和真空泵10，供气系统通过压力调节阀向包有冷却水套的高压反应釜内充注反应气体，直到压力不发生波动后，建立水合物形成的压力条件。

气相组分检测系统包括气相色谱仪，气样收集袋30，垂直二通阀29，把收集袋中收集到的气样用气相色谱仪进行检测分析气相组分变化，监测置换反应的进行状况。在气相采集口的管路上还连接有排气阀32和压力表31，在充入CO₂气体之前，要把多余的未反应完的甲烷气体通过排气阀32排空至常压。

温度控制系统包括低温恒温水浴20、循环泵27、冷却水进口18、冷却水套25、冷却水出口19，由低温恒温水浴出来的循环冷媒水依次通过循环泵、冷却水进口、冷却水套、冷却水出口，再回到低温恒温水浴，气体水合反应是放热反应，为了保持反应需要的低温条件，必须及时将反应过程中释放出的热量带走。本装置的反应釜整体包裹在冷却水套中，形成良好的水浴环境，确保釜内温度分布均匀、稳定，确保达到预定的目标。

数据采集系统包括温度传感器21、压力传感器22、计算机采集系统28；信号线与安装在反应釜上的温度传感器和压力传感器相连，信号线将数据送入计算机采集系统28进行记录保存。温度传感器、压力传感器、采集模块、采集软件等，用于对温度、压力等实验参数进行实时采集与记录，对实验过程进行监控。

一种利用CO₂气体置换甲烷水合物的研究装置的实验步骤如下：

1)、在进行置换反应实验之前，先打开反应釜端盖，使用二次蒸馏水反复清洗反应釜并晾干，然后将一定量的蒸馏水或添加一定浓度的表面活性剂溶液注入到高压反应釜中，盖上端盖并密封好，再连接好实验管路系统。

2)、打开阀门9、11，关闭阀门3、4、16、29、32，然后开启真空泵对高压反应釜抽真空，直到反应釜内真空度达到实验要求。

3)、起动低温恒温水槽20，开启循环水泵27。关闭阀门9，打开进气阀3，通过调节压力调节阀8向反应釜内充入甲烷气体至所需的压力后，关闭阀门3和11。利用循环冷媒水对反应釜进行温度调节，使反应釜内气体达到试验设定的温度值，保持试验温度5min。然后开启搅拌电机13，调整至所需的搅拌速度，进行水合物的生成实验；当从温度、压力监测信号上观测到温度压力稳定后，停止搅拌电机，保持反应釜内温度恒定两小时后，打开排气阀32，迅速将反应釜内的甲烷气体放空至常压，然后关闭阀门32，打开阀门9、11，开启真空泵，迅速对系统进行抽真空至反应釜内所需的真空度，然后停止真空泵，关闭阀门9。

4)、打开阀门4，调节压力调节器8向反应釜内充入CO₂气体至所需压力，然后关闭阀门4、11，快速调节低温恒温水槽内的温度，使其反应釜内的温度达到设定值，然后观测反应釜内压力及温度变化情况，每隔一定时间取一次气样，用气相色谱仪分析其组分变化情况，监测置换反应的进行程度。

5)、当反应进行到一段时间(150h左右)，停止取样，再迅速抽出反应釜内剩余CO2气体之后，将反应釜内水合物在常温下分解，通过压力信号观测到反应釜内压力恒定后，取其样品分析其气相组分。

该研究系统的可视化结构设计可以实时观测反应釜内的实验现象；采用磁力耦合搅拌装置，既可以提高水合物的生成速率，又可以解决高压旋转密封性能差的问题，并且运行可靠，无噪音。整个研究系统既可以测量不同压力、温度条件下，高压气体CO₂置换甲烷水合物的动力学数据，又可以通过可视化窗口观察水合物生成和置换过程中的实验现象，通过考察不同压力、温度对置换速率的影响，研究CO2置换甲烷水合物的置换机理。

Claims (6)

1、一种利用CO₂气体置换甲烷水合物的研究系统，其特征在于，包括高压反应釜、供气系统、温度控制系统、气相组分检测系统、数据采集系统，高压反应釜端盖上设有进气口，气体组分采集口，温度传感器安装螺纹口和压力传感器安装螺纹口，高压反应釜下面通过阀接排气泄水口；永磁体搅拌电机固定安装在反应釜端盖上，位于反应釜的中部，下端接有搅拌叶片；反应釜侧壁上开有两个对称的视窗口装有可视化功能的耐压光学玻璃，用耐压光学玻璃与法兰用O型圈密封；反应釜被冷却水套包裹在其中，冷却水套通过温度控制系统控制恒定温度；温度传感器安装螺纹口和压力传感器安装螺纹口分别接温度传感器和压力传感器，进气口外接进气系统，气体采集口接气相组分检测系统，温度传感器和压力传感器外接数据采集系统。

2、根据权利要求1所述的利用CO₂气体置换甲烷水合物的研究系统，其特征在于，所述供气系统由两个分别装有CO₂气体和甲烷气体的高压气瓶、高压表、压力调节器和四个高压垂直二通阀、减压阀、压力表和真空泵组成，装有CO₂气体和甲烷气体的两个高压气瓶分别通过连接一个高压垂直二通阀后一起顺序接入高压表，减压阀，低压表，压力调节器，然后一路通过高压垂直二通阀到真空泵，另一路通过高压垂直二通阀进入高压反应釜。

3、根据权利要求1所述的利用CO₂气体置换甲烷水合物的研究系统，其特征在于，所述的温度控制系统包括低温恒温水浴、循环水泵、冷却水进口、冷却水套、冷却水出口，由低温恒温水浴出来的冷媒水依次通过循环水泵、冷却水进口、冷却水套、冷却水出口，再回到低温恒温水浴。

4、根据权利要求1所述的利用CO₂气体置换甲烷水合物的研究系统，其特征在于，所述数据采集系统包括温度传感器、压力传感器、数据采集模块和数据采集软件以及监控计算机，计算机采集系统，信号线与安装在反应釜上的温度传感器、压力传感器相连，信号线将数据送入计算机采集系统进行记录保存。

5、根据权利要求1所述的利用CO₂气体置换甲烷水合物的研究系统，其特征在于，所述的气相组分检测系统包括高压垂直二通阀、气体采集袋、气相色谱仪，气体采集口通过高压垂直二通阀接气体采集袋，实时采集气体，采集到的气体通过用气相色谱仪对其进行检测分析。

6、根据权利要求5所述的利用CO2气体置换甲烷水合物的研究系统，其特征在于，所述气相采集口的管路上除了连接气相组分检测系统，还连接有排气阀和压力表，排除未完全反应的气体。

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