CN103861529B - 一种可燃冰自组织生产装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可燃冰自组织生产装置，包括带有底座的透明圆柱型腔、透明高压反应釜、多孔陶瓷棒、储存器、温控装置、压力控制阀、振动装置、温压数显表及功能选择按键。在设定温度、压力条件下，向反应釜的注料口通入天然气和水的高压饱和液，釜内多孔陶瓷棒上自组织生成可燃冰晶体，通过重力及振动装置的作用将合成的可燃冰晶体导入储存器中并封装，然后自动弹出，完成可燃冰的生产。本发明的特点在于通过设定反应环境，该装置能充分模拟海底多孔介质促进水分子形成笼状结构将甲烷分子紧密包裹起来，自动组织形成具有笼型结构的结晶化合物，并自动提取封装成可直接投入使用的成品，结构简单，方便可靠，对可燃冰的物理化学形态研究及实现工业生产具有重要意义。

Description

一种可燃冰自组织生产装置

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物生产装置，尤其涉及一种可燃冰自组织生产装置，应用于新能源技术领域。

背景技术

可燃冰又称天然气水合物（NaturalGasHydrate，简称GasHydrate），是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。在自然界广泛分布于大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。可燃冰燃烧后几乎没有污染，是一种绿色的新型能源，在20世纪科学考察中首次发现。从其储量之大、分布范围之广和应用前景之好来看，它是石油、天然气、煤等传统能源之后最佳的接替能源，被誉为21世纪具有商业开发前景的战略资源，点燃了人类21世纪能源利用的希望之光。

目前可燃冰是公认的21世纪重要后续能源，它对人类生存环境及海底工程设施的灾害影响，正日益引起科学家们和世界各国政府的关注。因此，如何安全有效开采是天然气水合物资源利用所面临的关键问题。在对天然气水合物进行大规模勘探开发之前，其物理化学等性质的实验研究是必不可少的基础性研究工作，其目的是为天然气资源的勘探开发利用、环境保护及化学工程奠定理论与技术基础。在开采过程中，用水合物态储存天然气比气态、液态天然气更加安全：水合物不易燃烧，可防止燃烧和爆炸事故发生，储存于水合物中的天然气释放过程缓慢，发生储罐破裂等方面事故时天然气泄漏速度缓慢。

由于实验室模拟天然气水合物的生成环境,探索水合物的生成机制和开采技术不仅花费资金少、风险低,而且极具理论价值。因此，目前世界上的天然气水合物开采研究主要处于实验室模拟和数值模拟的阶段，已有不少科研人员展开了一系列研究。例如发明专利CN101818088B公开了一种天然气水合物的高效连续制备方法与装置，它利用带有促进剂的气液水合物进入折叠管式反应器进行螺旋流动，来增大气液接触面从而促进水合物的高效连续制备。虽然该方法在一定程度上能加快天然气水合物的合成，但折叠管式反应器与海洋多孔介质沉积物中天然气水合物的合成原理有本质区别：前者仅仅提供气液混合接触面，然后利用水合物促进剂来完成诱导水合物的合成过程；后者完全靠分子扩散作用进入沉积物孔隙中，进而成核和生长。另外，折叠管式的反应面远远不及同等尺寸下多孔介质的比表面积大，因而不如多孔介质沉积物反应高效。发明专利CN101936833B公开了一种模拟天然气水合物生成并测量其物性参数的装置及方法，通过控制配气系统的进气量、高压反应釜内加入的沉积物以及冷浴槽温度，来进行不同组分气体、不同粒径沉积物、不同反应条件下沉积物中水合物声学性质的测量及溶液中水合物的测定。该方法实施例中，沉积物石英砂与盐水溶液混合均匀后装入反应釜，并将沉积物压平，没有充分利用沉积物的特性，不能最大限度借助多孔介质提供的多孔环境高效合成水合物。

天然气水合物的模拟实验研究都局限于在纯净水或者海水中进行，不能实际模拟天然气水合物的赋存环境，即海底沉积物，因此不能很好地再现天然气水合物的真实生成和储积过程。目前采用的多孔介质一般是砂土矿物的简单铺放，没有进行铺放结构或造型的设计。而对于实验室模拟来说，模拟海底沉积物提供大面积的反应面对合成与自然界条件相同、物性相似的水合物样品非常关键。

鉴于上述水合物合成技术上的不足极大地阻碍了其在天然气储运技术上的应用，本发明提供一种可燃冰自组织生产装置，采用多孔陶瓷棒为气体和水提供充分的气液接触面，真实高效的模拟了海底沉积物特性，促进高储能密度的气水合物的生成。该装置不仅可提供充足的可燃冰成品供实验室开展各项物性参数的研究，而且其生产的成品有利于促进开采过程中天然气以水合物形式储存及运输。另外，本发明提供的可燃冰成品由于包装完整，可直接对餐饮、娱乐等服务行业实现能源产业链供给，对海洋资源直接用于商业用途实现工业生产具有重大意义。

发明内容

为解决上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种可燃冰自组织生产装置。设定环境下，水和甲烷两种分子自动组织形成具有笼型结构的结晶化合物，并实现产物自动封装，可直接使用。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种可燃冰自组织生产装置，其特征在于，该装置包括带有底座的透明圆柱型腔、透明高压反应釜、多孔介质陶瓷棒、储存器、温控装置、压力控制阀、振动装置、温压数显表及功能选择按键。所述透明圆柱型腔外表面设置有温压数显表及功能选择按键。所述反应釜底部设有注料阀，并与注料阀对称设置泄压阀，反应釜圆柱内壁面和顶面均匀布设多孔介质。所述多孔介质由陶瓷棒经过表面处理技术加工而成。所述温控装置和振动装置装配在所述底座内。所述功能选择按键包括注料、储存、泄压、弹出按键。

所述透明圆柱型腔底座顶部与储存器底部通过带有弹簧开关的滑槽相连。

所述反应釜圆柱内壁面及顶面加工均匀对称分布的陶瓷棒，所述圆柱内壁面的陶瓷棒长度加工成由下至上梯度增大，与竖直方向夹角控制在15°～60°范围内，所述顶面的陶瓷棒均匀布设成环形点阵结构，方向竖直向下，长度由中间向周边梯度减小。

所述陶瓷棒的表面处理技术采用喷射石英砂。

所述反应釜出口与储存器入口之间设置两块相互嵌套可滑移的旋转高压密封板，分别用于封装反应釜和储存器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的多孔陶瓷棒经过表面喷砂技术处理，真实高效的模拟了海底沉积物特性，为气体和水提供充分的气液接触面，有利于高储能密度的气水合物短时间内大量生成。

2、本发明集反应装置、储存装置及提取装置与一体，自动化程度高，结构简单，设计合理，可在实验室研究中实现可燃冰原料的智能产用，随用随产、按需生产。

3、本发明对反应生产过程及环境实施智能控制，产品罐能自动封装并弹出。

4、本发明可由反应容器参数直接为原料组分量化提供依据，按装置设计规格匹配相应原料组分参数。

5、本发明提供的装置可在设定环境下，促进甲烷分子和水分子由混乱无序的混合状态自发的走向具有笼型结构的结晶化合物状态。

6、本发明提供的装置在海底可燃冰开采转化为甲烷之后，能实现以水合物形式收集进而封装成罐装成品。由于包装完整，生产的可燃冰成品可直接运输到消费渠道，实现对餐饮、娱乐等服务行业的能源产业链供给，对商业开采及工业生产具有重要意义。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明多孔陶瓷棒分布示意图。

图3为本发明储存器与底座连接及工作原理图。

图4为本发明旋转高压密封板工作原理及结构示意。

附图标记：

1圆柱型腔，2底座，3反应釜、4多孔陶瓷棒、5储存器、6压力控制阀（注料孔）、7温压数显表，8功能选择按键，9电磁铁，10卡块，11弹簧片，12弹簧，13弧形推板，14滑轨，15滑槽，16高压密封板，17导轨，18泄压阀。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图对本发明详细说明，以下仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的范围。即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属于本发明所涵盖的范围。

如图1所示，一种可燃冰自组织生产装置包括带有底座2的圆柱型腔1、反应釜3、多孔陶瓷棒4、储存器5、温控装置、压力控制阀6、振动装置、温压数显表7及功能选择按键8。其中，所述温控装置及振动装置装配在底座2内；所述压力控制阀控制反应原料进料密度，由釜内压力传感器探测信号输出控制；所述温压数显表显示釜内实时压力和温度；所述功能选择按键8包括注料、储存、泄压、弹出四个子按键。本发明装置在生产时设计多种不同规格型号，以适应市场需求，根据装置特定型号匹配相应参数，为量化原料组分比例提供依据。本发明集反应装置、储存装置及提取装置与一体，智能控制生产过程，结构简单，使用方便。

所述多孔陶瓷棒4在所述反应釜3内的分布图如图2所示，反应釜3圆柱内壁面上的陶瓷棒4均匀对称分布，长度加工成由下至上梯度增大，与竖直方向夹角控制在15°～60°范围内；反应釜3顶面陶瓷棒4均匀布设成环形点阵结构，方向竖直向下，长度由中间向周边梯度减小。所述多孔陶瓷棒4参照海底沉积物物性参数进行表面喷砂技术处理，形成多孔，陶瓷棒的表面处理技术采用喷射石英砂。海底沉积物中天然气水合物的生成和分解过程实际上是一个水合物-海水-天然气三相平衡变化的过程，研究表明多孔介质中流体与孔隙壁面间的界面效应对海底沉积物中天然气水合物的形成条件会产生明显影响，多孔介质具有较大的比表面积，不但可缩短水合物形成的诱导时间，而且在成长阶段也比自由液面生长的速度快。因而本发明多孔陶瓷棒克服了当前仅在纯净水或者海水中进行的模拟实验研究的不足，充分的气液接触面真实高效的模拟了海底沉积物特性，促进高储能密度的气水合物的生成，分子完全靠扩散作用进入孔隙中，进而成核和生长，不需要用搅拌来诱导水合物成核。

如图3所示，储存器5与底座2通过带有弹簧开关的滑轨14和滑槽15相连，滑轨14加工在底座2上表面，与储存器5底部的滑槽15尺寸相匹配。所述弹簧开关包括电磁铁9、卡块10、弹簧片11、弹簧12和弧形推板13，其中弹簧片11、弹簧12、弧形推板13三者焊接成一体，弹簧12加工在滑轨14内。按下弹出功能键8，电磁铁9通电产生电磁，将带同种磁性的弹簧片11弹开，弹簧片11脱离卡块10，在弹簧12的作用下，弧形推板13沿着滑轨14将带有滑槽15的储存器5推送至设定位置。在储存器5推送回圆柱型腔1过程中，弹簧片11沿前部翘起导片刮过卡块10被卡住，储存器回位。

如图4所示，反应釜3出口与储存器5入口之间设置两块相互嵌套可滑移的旋转高压密封板16，分别用于封装反应釜3和储存器5。按下储存功能键8，待振动装置充分完成出料后，高压密封板16（如图4（a））绕储存器壁一支点水平旋转180°到达封口处进行密封（如图4（b）），在按下弹出功能键8后，封装储存器5的下密封板随同储存器5沿加工在下密封板上的导轨17滑出，密闭反应釜3与密闭储存器5分离（如图4（c））。

本装置的工作过程：注料前，根据本发明装置产品型号将天然气和水按相应组分参数配置成饱和溶液，反应釜3及储存器5构成的密闭通腔温度通过装配在底座2内的温控装置控制在0℃～4℃内。待温压数显表7上的实时温度在规定范围内稳定90s～180s后，按下注料功能键8，将天然气与水的饱和液通过高压泵由注料孔6的单向阀成雾状喷入反应釜3。压力控制阀6通过控制反应原料进料密度控制反应釜3内压力在3±0.5MPa内，进入反应釜3内的原料气液在多孔陶瓷棒4上结晶成核，形成天然气水合物晶体，随着晶体不断长大，部分晶体在反应过程中由于自身重力作用直接从陶瓷棒4上落入储存器5。待温压数显表7上的实时压力稳定在某一数值不变后，水合物反应完全，按下储存功能键8，装配在底座2内的振动装置将剩余水合物晶体振落导入储存器5中。待振动装置充分完成出料后，高压密封板16绕储存器壁一支点水平旋转180°到达封口处进行密封，按下弹出功能键8，电磁铁9将弹簧片11弹开，弹簧片11脱离卡块10，在弹簧12的作用下，弧形推板13沿着滑轨14将储存器5推送出腔体1（储存器5底部带有滑槽15、顶部带有下高压密封板16，下高压密封板16上表面铸有导轨17），密闭反应釜3与密闭储存器5分离，储存器5出腔处有舱门，设置在圆柱型腔1上。将封装好的储存器5取出，即可投入使用。密封后的反应釜3通过泄压阀18将釜内压力释放至常压，释放的气体通过储气罐收集起来。使用完储存器5内的燃料后，将其推送回圆柱型腔1，弹簧片11沿前部翘起导片刮过卡块10被卡住，储存器回位，如此循环工作。

Claims (4)

1.一种可燃冰自组织生产装置，其特征在于，该装置包括带有底座的透明圆柱型腔、透明高压反应釜、多孔陶瓷棒、储存器、温控装置、压力控制阀、振动装置、温压数显表及功能选择按键，所述透明圆柱型腔外表面设置有温压数显表及功能选择按键，所述反应釜底部设有注料阀，并与注料阀对称设置泄压阀，反应釜圆柱内壁面及顶面均匀对称布设由经过表面处理技术加工而成的陶瓷棒，构成多孔介质，所述圆柱内壁面的陶瓷棒长度加工成由下至上梯度增大，与竖直方向夹角控制在15°～60°范围内，所述顶面的陶瓷棒均匀布设成环形点阵结构，方向竖直向下，长度由中间向周边梯度减小，所述温控装置及振动装置装配在所述底座内，所述功能选择按键包括注料、储存、泄压、弹出按键。

2.根据权利要求1所述的一种可燃冰自组织生产装置，其特征在于，所述透明圆柱型腔底座顶部与储存器底部通过带有弹簧开关的滑槽相连。

3.根据权利要求1所述的一种可燃冰自组织生产装置，其特征在于，所述陶瓷棒的表面处理技术采用喷射石英砂。

4.根据权利要求1所述的一种可燃冰自组织生产装置，其特征在于，所述反应釜出口与储存器入口之间设置两块相互嵌套可滑移的旋转高压密封板，分别用于封装反应釜和储存器。