海域非成岩天然气水合物流态化分解与分离过程耦合机理研究

For a long time, one of the most difficult problems confronted in the exploitation of marine natural gas hydrate (NGH) is low energy efficiency. The key to improve energy efficiency is the high performance of NGH decomposition and separation. To take the decomposition and separation of marine non-diagenetic NGH as an objective, NGH is crushed into small particles, and then thoroughly mixed with high-temperature sea water in a three-phase fluidized bed, which can enlarge heat transfer area, reduce boundary layer thickness, shorten transmission distance and improve heat and mass transfer. Besides, methane, seawater and sediment are separated by density differences in the three-phase fluidized bed. NGH is extracted as the form of natural gas, which greatly improve exploitation energy efficiency. The research purpose is to reveal heat and mass transfer mechanism between solid-liquid phases, to establish intensified decomposition kinetics model, and to clarify the effects of fluidization velocities, phase contents, particle behaviors, bubble behaviors and hydrodynamic characteristics et al on decomposition and separation of NGH. The research findings will achieve the breakthrough of hydrate decomposition and separation and improve exploitation energy efficiency. It is of great theoretical significance and application value.

能效问题一直是海域天然气水合物开采面临的难题，而水合物的分解与分离是影响开采能效高低的关键。本研究针对非成岩水合物分解与分离过程能效问题，提出用三相流化床实现水合物动态分解与产物一体化分离过程耦合的新方法。即通过动态流化增大“传热面积/分解体积”比，缩减薄膜边界层厚度，加速薄膜表面更新等强化分解的新手段，提高分解过程的热质传递效率；利用密度差实现产物甲烷气体、海水和砂砾的一体化分离，将水合物以甲烷气体形式采出。用理论分析、数值模拟和实验研究等方法研究水合物颗粒边界层与液相间的相界传热、传质机理，建立动态强化分解的动力学模型；研究流化速度、各相含量、颗粒行为及气泡行为等流态化特性，探索分解与分离的动态平衡规律，构建温度场-水合物分解-流场的耦合模型，优化三相流化床的结构设计和控制，为推进海域非成岩天然气水合物的高效规模化开采提供新的思路和途径。

本研究针对天然气水合物开采过程中水合物分解能效低的问题，采用理论分析、数值模拟和实验研究的方法对三相流化床中水合物的流态化分解过程进行研究。采用水合物岩样声电力学测试装置测定了天然气水合物的基础物性参数。使用分子模拟从分子尺度分析了天然气水合物的分解过程机理，包含水分子的扩散，晶格的扭曲变形和甲烷分子的逃逸等。使用小波包分析方法有效识别了流化床内气-液-固多相流态化的四种不同流型特征。在三相流化床中进行了水合物颗粒的流态化分解实验和数值模拟，分析了不同流态对水合物分解过程的影响规律，以及水合物分解过程中的热量、质量传递规律和气泡行为，构建了流态化条件下水合物分解的宏观动力学方程，拟合得到了水合物流态化分解的表观活化能，为优化水合物分解装置的设计提供了基础数据。已完成了项目任务书中的研究内容和研究目标。