CN112871270A - 一种气体水合物半连续分解装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体水合物半连续分解装置，包括进料仓、制粉仓、研磨仓、储冰仓、以及用于为装置储存气体或调节装置内压力的辅助系统；进料仓位于制粉仓上部，用于向装置内添加未分解的水合物；制粉仓一端与进料仓底部相连，其另一端与研磨仓顶部连接，用于对块状水合物破碎成水合物颗粒；研磨仓内设有用于将水合物颗粒研磨成冰粉的研磨机构，研磨仓底部与储冰仓顶部相连。本装置在水合物分解过程中，通过破碎和研磨的物理方式来提高水合物比表面积，加快水合物的分解速率；水合物在本装置中分解后形成气体和冰，极大地降低了水合物分解所需的相变潜热，且不会对水合物分解后产物造成污染；本装置结构简单，运行稳定，能耗较低。

Description

一种气体水合物半连续分解装置

技术领域

本发明涉及水合物制备技术领域，尤其是一种气体水合物半连续分解装置。

背景技术

气体水合物是一种以甲烷、二氧化碳、氮气为主要成分的小分子气体和水分子组成的具有笼状结构的类冰状结晶化合物。在低温和高压条件下，天然气水合物能够稳定存在。在常温常压下，天然气水合物会快速分解形成游离的天然气和水。自然形成的气体水合物广泛分布于深海沉积物或者大陆永久冻土层中。近年来随着天然气水合物在全球范围内的大量发现，使其成为一种极具开发潜力的可替代能源。目前，在全球范围内已经探明的天然气水合物储量高达2.1×10¹⁶m³，是传统化石能源总量的两倍以上。与此同时，气体水合物的储气密度大，1个标准体积的气体水合物可以存储高达160标准体积的气体。相比于液化天然气，天然气水合物存储所需的温度和压力条件比较温和，可以应用于天然气储运。我国拥有丰富的天然气水合物资源。因此，研发天然气水合物快速分解装置对于研究天然气水合物的动力学特性和机理，开发以水合物为储能材料的天然气储运技术等具有十分重要的意义。

由于气体水合物通常在低于20℃的高压环境下生成，且生成的水合物通常为多孔蓬松堆积的类似雪状的晶体，在应用于储气材料时，通常将水合物晶体压制成具有规则外形的块状，以便于输运，同时抑制水合物的快速分解。但是，当水合物需要分解释放存储的气体时，紧密的块体会抑制水合物的分解速率，同时，水合物分解成液态水时会大量吸热降低温度，进一步降低水合物的分解速率。传统的加快水合物分解的方法需要向水合物表面喷淋大量热力学抑制剂，该方法虽然能够显著提高分解效率，但是，所需能耗大，抑制剂对水的污染使其无法投入再次储气过程，形成了不必要的浪费。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种气体水合物半连续分解装置。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种气体水合物半连续分解装置，包括进料仓、制粉仓、研磨仓、储冰仓、以及用于为装置储存气体或调节装置内压力的辅助系统；所述进料仓位于所述制粉仓上部，用于向装置内添加未分解的水合物；所述制粉仓一端与所述进料仓底部相连，其另一端与所述研磨仓顶部连接，用于对块状水合物破碎成水合物颗粒；所述研磨仓内设有用于将水合物颗粒研磨成冰粉的研磨机构，所述研磨仓底部与所述储冰仓顶部相连；所述进料仓、制粉仓、研磨仓、储冰仓均设有排气孔，所述辅助系统包括储气调压装置，所述储气调压装置与所述进料仓、制粉仓、研磨仓、储冰仓四个仓的排气孔分别连接。

所述进料仓顶部为可拆卸安装的上密封端盖，其底部设有第一物料阀门，排气孔设置在所述进料仓侧壁，排气孔设有两个，分别与所述储气调压装置连接。进料仓的压力在装料时需要和外界大气压力保持一致，而在向制粉仓送料时需要和制粉仓的压力保持一致。因此，在装料时，需要利用储气调压装置中的增压泵将进料仓内多余的气体抽至耐高压储气罐；在送料时，需要利用储气调压装置向进料仓补充气体使水合物利用自身重力落入制粉仓。另外，在装料完成后，需要快速开启储气调压装置中的真空泵以排出装料时混入进料仓中的空气。

所述制粉仓包括物料输送带、辊式破碎装置；所述物料输送带一端与所述进料仓的第一物料阀门相连，其另一端与辊式破碎装置相连。物料输送带用于控制水合物进入辊式破碎装置的流量，辊式破碎装置用于将较大的块状水合物破碎成较细的水合物颗粒。研磨仓中的压力始终小于运行温度下水合物的相平衡压力，因此，在输运和破碎过程中，水合物始终保持分解的状态。由于水合物块体的比表面积较小且受到“自保护”效应的影响，当处于表层的水合物快速分解后，速率会显著降低。当水合物落入辊式破碎装置后，水合物比表面积迅速增大，水合物得以再次进入快速分解状态。

所述制粉仓为倾斜设置的仓体结构，所述物料输送带与所述第一物料阀门相连的一端的高度高于其另一端的高度；所述制粉仓靠近所述第一物料阀门一侧的上端设有刮板，所述刮板伸向所述物料输送带且不接触所述物料输送带。倾斜设置的制粉仓，有利于水合物的下落，刮板的设置，可避免水合物进入过快，影响破碎分解效率。

所述研磨机构包括转动轴、连杆和研磨滚轮；所述研磨仓呈圆柱形，所述转动轴位于所述研磨仓轴心，所述研磨滚轮通过所述连杆与所述转动轴相连；排气孔设置在所述研磨仓与所述制粉仓连接处的壁面，排气孔设有两个，分别与所述储气调压装置连接；所述研磨仓底部设有第二物料阀门。经过辊式破碎装置的水合物在研磨仓里将进行进一步研磨，在持续的搅动和淹没的条件下，比表面积进一步扩大，“自保护”效应也受到外部机械扰动的情况下无法形成，因此，水合物在研磨仓中将以较高的分解速率全部转变为冰粉。水合物分解后释放出的气体将通过储气调压装置直接进入耐高压储气罐。分解形成后的冰粉则沉积在研磨仓底部，通过物料阀门，依靠自身重力落入储冰仓。在开启研磨仓底部的物料阀门前，需要通过储气调压装置使研磨仓和储冰仓的压力相同，从而使冰粉依靠自身重力落至储冰仓中。

所述储冰仓为空仓，其侧壁设有取料口，所述取料口可拆卸地安装有下密封端盖；排气孔设置在所述储冰仓顶部，排气孔设有两个，分别与所述储气调压装置连接。冰粉落入储冰仓后，将从取料口取出。由于部分冰粉会携带少量未分解水合物而继续产生气体，在取出冰粉前需要利用储气调压装置中的增压泵抽出多余气体。在取出冰粉后，由于空气进入储冰仓会影响气体纯度，需要在关闭取料口之后利用真空泵抽出储冰仓中的空气。

所述储气调压装置包括耐高压储气罐、气体增压泵、真空泵、高压针阀和高压气体管路；所述高压气体管路的一端分别与所述研磨仓与所述制粉仓连接处壁面排气孔、储冰仓顶部排气孔相连，另一端与所述耐高压储气罐相连；与所述研磨仓与所述制粉仓连接处壁面排气孔相连的高压气体管路通过所述高压针阀与所述耐高压储气罐相连；与所述储冰仓顶部排气孔相连的所述高压气体管路通过所述增压泵、所述高压针阀与所述耐高压储气罐相连；或者，与所述储冰仓顶部排气孔相连的所述高压气体管路可通过所述真空泵与环境空气相连；所述进料仓侧壁排气孔、所述研磨仓与所述制粉仓连接处壁面排气孔、所述储冰仓顶部排气孔之间的高压气体管路相互连通。储气调压装置，可排出或抽取四个仓中水合物分解后产生的气体并最终储存在耐高压储气罐中；进料仓、储冰仓的低压气体可通过增压泵增压进入耐高压储气罐；真空泵可快速抽取装料和取冰过程中混入仓体内的空气，避免降低水合物分解气体的纯度；高压针阀与高压气体管路，可调节各仓室间的压力，使水合物最终各仓室转移时能够依靠重力移动，同时在局部仓室压力过高时，可快速降低压力，保证装置的安全运行。

装置运行的外部环境温度范围在-80～0℃，装置本体外壁面包覆有隔热保温材料层。

与现有技术对比，本发明的优点在于：

1、装置主体的基本原理简单，仅通过破碎和研磨的物理方式来提高水合物比表面积，加快水合物的分解。相比于传统的直接加热或者添加水合物抑制剂等方法，更加节能且不污染水合物分解后的产物。

2、装置结构连续紧凑，能够实现水合物的半连续分解，分解后的产物能够完成快速分离，提高了水合物分解装置的使用效率。

3、装置的运行压力较低，且可调，能够完成多种晶形结构的气体水合物的快速分解，具有广泛的适用性。

4、本申请的水合物快速分解的装置基本运行原理可为水合物法气体储运技术的应用提供重要参考。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图中附图标记含义：1、进料仓；2、制粉仓；3、物料输送带；4、辊式破碎装置；5、研磨仓；6、研磨滚轮；7、储冰仓；8、气体增压泵；9、真空泵；10、耐高压储气罐；11、第一物料阀门；12、第二物料阀门；13、高压针阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

参阅图1，为一种气体水合物半连续分解装置，包括进料仓1、制粉仓2、研磨仓5、储冰仓7、以及用于为装置储存气体或调节装置内压力的辅助系统；进料仓1位于制粉仓2上部，用于向装置内添加未分解的水合物；制粉仓2一端与进料仓1底部相连，其另一端与研磨仓5顶部连接，用于对块状水合物破碎成水合物颗粒；研磨仓5内设有用于将水合物颗粒研磨成冰粉的研磨机构，研磨仓5底部与储冰仓7顶部相连；进料仓1、制粉仓2、研磨仓5、储冰仓7均设有排气孔，辅助系统包括储气调压装置，储气调压装置与进料仓1、制粉仓2、研磨仓5、储冰仓7四个仓的排气孔分别连接。

进料仓1顶部为可拆卸安装的上密封端盖，其底部设有第一物料阀门11，排气孔设置在进料仓1侧壁，排气孔设有两个，分别与储气调压装置连接。进料仓1的压力在装料时需要和外界大气压力保持一致，而在向制粉仓2送料时需要和制粉仓2的压力保持一致。因此，在装料时，需要利用储气调压装置中的增压泵将进料仓1内多余的气体抽至耐高压储气罐10；在送料时，需要利用储气调压装置向进料仓1补充气体使水合物利用自身重力落入制粉仓2。另外，在装料完成后，需要快速开启储气调压装置中的真空泵9以排出装料时混入进料仓1中的空气。

制粉仓2包括物料输送带3、辊式破碎装置4；物料输送带3一端与进料仓1的第一物料阀门11相连，其另一端与辊式破碎装置4相连。物料输送带3用于控制水合物进入辊式破碎装置4的流量，辊式破碎装置4用于将较大的块状水合物破碎成较细的水合物颗粒。研磨仓5中的压力始终小于运行温度下水合物的相平衡压力，因此，在输运和破碎过程中，水合物始终保持分解的状态。由于水合物块体的比表面积较小且受到“自保护”效应的影响，当处于表层的水合物快速分解后，速率会显著降低。当水合物落入辊式破碎装置4后，水合物比表面积迅速增大，水合物得以再次进入快速分解状态。

本实施例中，辊式破碎装置4为现有设备，因此不展开具体描述。辊式破碎装置4采用双辊式破碎机，由破碎辊、调整装置、弹簧保险装置、传动装置和机架等组成。破碎辊是在水平轴上平行装置两个相向回转的辊子，它是破碎机的主要工作机构。其中一个辊子的轴承是可动的，另一个辊子的轴承是固定的。破碎辊是由轴、轮毂和辊皮构成。辊子采用键与锥形表面的轮毂配合在一起。辊皮固定在轮毂上，利用螺栓螺帽将它们固定在一起。

制粉仓2为倾斜设置的仓体结构，物料输送带3与第一物料阀门11相连的一端的高度高于其另一端的高度；制粉仓2靠近第一物料阀门11一侧的上端设有刮板，刮板伸向物料输送带3且不接触物料输送带3。倾斜设置的制粉仓2，有利于水合物的下落，刮板的设置，可避免水合物进入过快，影响破碎分解效率。

研磨机构包括转动轴、连杆和研磨滚轮6；研磨仓5呈圆柱形，转动轴位于研磨仓5轴心，研磨滚轮6通过连杆与转动轴相连；排气孔设置在研磨仓5与制粉仓2连接处的壁面，排气孔设有两个，分别与储气调压装置连接；研磨仓5底部设有第二物料阀门12。经过辊式破碎装置4的水合物在研磨仓5里将进行进一步研磨，在持续的搅动和淹没的条件下，比表面积进一步扩大，“自保护”效应也受到外部机械扰动的情况下无法形成，因此，水合物在研磨仓5中将以较高的分解速率全部转变为冰粉。水合物分解后释放出的气体将通过储气调压装置直接进入耐高压储气罐10。分解形成后的冰粉则沉积在研磨仓5底部，通过物料阀门，依靠自身重力落入储冰仓7。在开启研磨仓5底部的物料阀门前，需要通过储气调压装置使研磨仓5和储冰仓7的压力相同，从而使冰粉依靠自身重力落至储冰仓7中。

储冰仓7为空仓，其侧壁设有取料口，取料口可拆卸地安装有下密封端盖；排气孔设置在储冰仓7顶部，排气孔设有两个，分别与储气调压装置连接。冰粉落入储冰仓7后，将从取料口取出。由于部分冰粉会携带少量未分解水合物而继续产生气体，在取出冰粉前需要利用储气调压装置中的增压泵抽出多余气体。在取出冰粉后，由于空气进入储冰仓7会影响气体纯度，需要在关闭取料口之后利用真空泵9抽出储冰仓7中的空气。

储气调压装置包括耐高压储气罐10、气体增压泵8、真空泵9、高压针阀13和高压气体管路；高压气体管路的一端分别与研磨仓5与制粉仓2连接处壁面排气孔、储冰仓7顶部排气孔相连，另一端与耐高压储气罐10相连；与研磨仓5与制粉仓2连接处壁面排气孔相连的高压气体管路通过高压针阀13与耐高压储气罐10相连；与储冰仓7顶部排气孔相连的高压气体管路通过增压泵、高压针阀13与耐高压储气罐10相连；或者，与储冰仓7顶部排气孔相连的高压气体管路可通过真空泵9与环境空气相连；进料仓1侧壁排气孔、研磨仓5与制粉仓2连接处壁面排气孔、储冰仓7顶部排气孔之间的高压气体管路相互连通。储气调压装置，可排出或抽取四个仓中水合物分解后产生的气体并最终储存在耐高压储气罐10中；进料仓1、储冰仓7的低压气体可通过增压泵增压进入耐高压储气罐10；真空泵9可快速抽取装料和取冰过程中混入仓体内的空气，避免降低水合物分解气体的纯度；高压针阀13与高压气体管路，可调节各仓室间的压力，使水合物最终各仓室转移时能够依靠重力移动，同时在局部仓室压力过高时，可快速降低压力，保证装置的安全运行。

装置运行的外部环境温度范围在-80～0℃，装置本体外壁面包覆有隔热保温材料层。

本实施例中，利用机械破碎的物理方法来提高水合物的比表面积，同时，使水合物在冰点以下进行分解，极大降低水合物分解所需的相变潜热，并最终提供了一种适用于气体水合物快速分解的实验装置。对于研究天然气水合物的反应动力学过程，确定水合物反应动力学相关参数，同时，推进天然气水合物开采和储运技术投入商业应用，都具有十分重要的价值。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种气体水合物半连续分解装置，其特征在于：包括进料仓、制粉仓、研磨仓、储冰仓、以及用于为装置储存气体或调节装置内压力的辅助系统；所述进料仓位于所述制粉仓上部，用于向装置内添加未分解的水合物；所述制粉仓一端与所述进料仓底部相连，其另一端与所述研磨仓顶部连接，用于对块状水合物破碎成水合物颗粒；所述研磨仓内设有用于将水合物颗粒研磨成冰粉的研磨机构，所述研磨仓底部与所述储冰仓顶部相连；所述进料仓、制粉仓、研磨仓、储冰仓均设有排气孔，所述辅助系统包括储气调压装置，所述储气调压装置与所述进料仓、制粉仓、研磨仓、储冰仓四个仓的排气孔分别连接。

2.根据权利要求1所述的气体水合物半连续分解装置，其特征在于：所述进料仓顶部为可拆卸安装的上密封端盖，其底部设有第一物料阀门，排气孔设置在所述进料仓侧壁，排气孔设有两个，分别与所述储气调压装置连接。

3.根据权利要求2所述的气体水合物半连续分解装置，其特征在于：所述制粉仓包括物料输送带、辊式破碎装置；所述物料输送带一端与所述进料仓的第一物料阀门相连，其另一端与辊式破碎装置相连。

4.根据权利要求3所述的气体水合物半连续分解装置，其特征在于：所述制粉仓为倾斜设置的仓体结构，所述物料输送带与所述第一物料阀门相连的一端的高度高于其另一端的高度；所述制粉仓靠近所述第一物料阀门一侧的上端设有刮板，所述刮板伸向所述物料输送带且不接触所述物料输送带。

5.根据权利要求4所述的气体水合物半连续分解装置，其特征在于：所述研磨机构包括转动轴、连杆和研磨滚轮；所述研磨仓呈圆柱形，所述转动轴位于所述研磨仓轴心，所述研磨滚轮通过所述连杆与所述转动轴相连；排气孔设置在所述研磨仓与所述制粉仓连接处的壁面，排气孔设有两个，分别与所述储气调压装置连接；所述研磨仓底部设有第二物料阀门。

6.根据权利要求5所述的气体水合物半连续分解装置，其特征在于：所述储冰仓为空仓，其侧壁设有取料口，所述取料口可拆卸地安装有下密封端盖；排气孔设置在所述储冰仓顶部，排气孔设有两个，分别与所述储气调压装置连接。

7.根据权利要求6所述的气体水合物半连续分解装置，其特征在于：所述储气调压装置包括耐高压储气罐、气体增压泵、真空泵、高压针阀和高压气体管路；所述高压气体管路的一端分别与所述研磨仓与所述制粉仓连接处壁面排气孔、储冰仓顶部排气孔相连，另一端与所述耐高压储气罐相连；与所述研磨仓与所述制粉仓连接处壁面排气孔相连的高压气体管路通过所述高压针阀与所述耐高压储气罐相连；与所述储冰仓顶部排气孔相连的所述高压气体管路通过所述增压泵、所述高压针阀与所述耐高压储气罐相连；或者，与所述储冰仓顶部排气孔相连的所述高压气体管路可通过所述真空泵与环境空气相连；所述进料仓侧壁排气孔、所述研磨仓与所述制粉仓连接处壁面排气孔、所述储冰仓顶部排气孔之间的高压气体管路相互连通。

8.根据权利要求1所述的气体水合物半连续分解装置，其特征在于：装置运行的外部环境温度范围在-80～0℃，装置本体外壁面包覆有隔热保温材料层。

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