分散微滴/多孔金属复合体系中天然气水合物生成特性研究

The aim of this proposal is to design a novel system with excellent thermal conductivity and high gas-liquid contact area for natural gas strorage. We use metal foam and highly dispersed droplets to construct the system. In this system, each metal pore in metal foam filled with dispersed droplets can be used as a microreactor for natural gas hydrates formation. Dynamic characteristics of natural gas hydrates formation with vairous prosity, temperatures, pressures and the ratios of gas to water are investigated. We study the micro morphology and crystal structure of natural gas hydrates by optical microscopy , scanning electron microscope and X ray diffraction. The effects of metal foam on hydrate microstructure and the stability of dispersed droplets are investigated. We try to bulid a heat transfer model of the metal foam filled with dispersed droplets system, and calculate the heat transfer rate. The effects of different droplets and various prousities on the hydrate formation kinetic are also summarized. The datas and theories in this proposal will provide theotical basis and new insights for future development and application for natural gas strorage.

本项目采用良好导热性多孔泡沫金属作为载体，于其孔隙中填充具有高比表面积的分散态液体微滴，将填充有分散微滴的金属腔室作为微型水合反应器，用于高效水合存储天然气。研究分散微滴/多孔金属复合体系在孔隙率、温度、压力及气液比变化时水合存储天然气的宏观动力学特性。显微观察复合体系中天然气水合物生长微观形貌，分析图像获得水合物微观生长速率；通过X射线衍射表征天然气水合物在复合体系中的晶体结构变化，利用扫描电镜观察复合体系中微滴重复储气前后形貌变化，解析多孔金属对天然气水合物微观结构以及水合储气前后微滴稳定性的影响。建立集多相于一体的复合体系热传导模型，获得复合体系水合相变储气过程的传热速率，从传热角度揭示分散微滴种类、多孔金属孔隙率对复合体系水合储气动力学特性的影响规律，为天然气水合物生成传热过程的多维空间强化提供理论依据和新的思路。

水合物法储运天然气被认为是一种极具潜力的高效气体储运技术，但水合物生成时缓慢的传质与传热过程已经成为水合物技术工业化应用的一大障碍。动态机械扰动需辅助设施及额外能耗，开发水合物生成的静态强化技术具有必要性。本项目从强化传质与传热两方面探索利于水合物高效生成的静态体系，以甲烷为存储对象，研究甲烷水合物在静态体系中的生成特性。（1）向十二烷基硫酸钠（SDS）溶液中引入不同质量比例的疏水性纳米二氧化硅，高速搅拌制成SDS干溶液。SDS干溶液表观分散、单颗粒高表面活性剂，能够从宏观和微观两方面促进水合体系的气液接触，提高甲烷水合速率和储气量。不同硅含量的SDS干溶液储气速率与同浓度的SDS溶液的水合储气速率相当，比同浓度的SDS溶液储气量高。硅含量7.5 wt%的SDS干溶液分散效果好、含水量高，对甲烷的储存量最高，与相同硅含量的干水储气量相当，但比干水储气速率高约1倍，但其储气后也会出现类似干水结构被破坏的现象。（2）将凝胶引入表面活性剂干溶液中，制成表观分散、单颗粒高表面活性剂与良好凝胶支撑性的胶质SDS干溶液，优选出胶含量10.0 wt%的胶质干溶液用于水合储甲烷。与普通胶质干水相比，胶质干溶液储气速率更快，储气量更高，储气量达到最大值90%的时间缩短至80 min；与单纯SDS干溶液相比，胶质干溶液有更高的稳定性，重复储气9次后，储气量仍保持在100m3·m-3以上。（3）构建普通干水和胶质干水填充多孔泡沫铜的复合体系，优选出孔密度10 PPI泡沫铜作为分散体系的支撑骨架。导热性优异的泡沫铜金属骨架能够充当水合过程中热量转移的“高速公路”，可将两个水合体系中的水合热及时疏导出去，使含泡沫铜的干水或凝胶干水体系比各自不含泡沫铜的体系储气速率高。泡沫铜的金属骨架对干水或凝胶干水体系均没有支撑作用，两个体系的水微滴也分别会出现类似于干水和凝胶干水储气后粘结、聚集的现象。项目研究成果将为高效水合储运天然气提供基础数据和理论参考。