甲烷水合物的燃烧动力学特性及水作用机理研究

Methane hydrate combustion undergoes multi-component heterogeneous processes. At present, the research on this problem is not thorough at home and abroad. There are many scientific problems to be solved regarding the combustion kinetics of hydrates, the characteristics of combustion flames and the water effect mechanism in the combustion process. Therefore, in this paper, a methane hydrate ball is used to study the combustion behavior. Theoretical research, experimental research combined with numerical simulation methods are used to study the hydrate combustion characteristics and water effect mechanism in the combustion process. Firstly, the interaction between heat and mass transfer between methane decomposition and combustion is analyzed, and a transient combustion model of methane hydrate is established. Secondly, methane hydrate combustion experiment is carried out to study the effect of different factors on the combustion characteristics of hydrate, and to clarify the inherent mechanism of the self-protection effect on the hydrate combustion. At last, the formation and evaporation of liquid water, the relationship between the thickness of water film and the rate of hydrate decomposition are quantitatively studied. The chemical kinetics of methane combustion containing water is calculated and the water mechanism during the methane hydrate combustion process is revealed finally. The research results have theoretical importance and scientific significance, which can provide important theoretical support for hydrate exploitation, safe storage and high efficiency burner design.

甲烷水合物的燃烧经历多组分非均相过程，目前国内外对于该问题的研究还不深入，对于水合物的燃烧动力学机理、燃烧火焰特征、燃烧过程中水的作用机理等还有很多科学问题需要解决。因此，本课题以甲烷水合物球为研究对象，采用理论研究、实验研究结合数值模拟的方法，对甲烷水合物的燃烧特性及燃烧过程中水的作用机理展开深入研究。首先，分析甲烷水合物受热分解与燃烧过程之间传热传质的相互影响，建立甲烷水合物的瞬态燃烧模型。其次，开展甲烷水合物燃烧实验，研究不同因素对水合物燃烧特性的影响规律，阐明自保护效应对水合物燃烧影响的内在机制。最后，定量研究液态水的形成及蒸发过程、以及水膜厚度与水合物的分解速率之间的关系，开展含水蒸汽的甲烷燃烧化学动力学计算，揭示甲烷水合物燃烧过程中水的作用机理。研究成果具有重要的理论价值和科学意义，可为水合物的开发利用、安全存储及高效燃烧器的设计提供重要的理论支持。

为推动甲烷水合物安全储运、高效利用和原位燃烧开采技术的发展，本项目针对甲烷水合物燃烧所涉及的基础科学问题进行了系统研究，包括甲烷水合物的燃烧火焰特性、燃烧动力学机理、燃烧过程中蒸发水及外部强制气流的作用机理等。首先，在实验观测基础上理论分析并提出了甲烷水合物燃烧的一维物理模型，综合考虑甲烷扩散燃烧、水合物受热分解、水的升温与蒸发等复杂传热传质过程，建立了甲烷水合物燃烧的一维导热模型，计算得到了燃烧期间各热力学过程的吸热比，结果显示燃烧释放的热量大部分用于水合物的分解以及水的蒸发。其次，开展了自然对流和强制气流条件下甲烷水合物的燃烧测试实验，分别探究了水合物初始尺寸、初始中心温度、初始含气率等内部因素及环境温度、强制气流形式与流速等外部因素对燃烧特性的影响，获得了燃烧速率、火焰温度、火焰高度、火焰脉动频率等重要燃烧参数的变化规律，分析了燃烧火焰的阶段性演变特征及水合物表面水的运移相变特性，阐明了自保护效应对甲烷水合物燃烧稳定性的作用机制。随后，通过差重实验定量获取了甲烷水合物燃烧过程中液态水的滴落与蒸发速率，基于GRI MECH 3.0反应机理并借助CHEMKIN软件中的对冲扩散火焰模型，开展了甲烷水合物燃烧的化学动力学计算，结果表明：一方面水蒸气的加入抑制了基元反应R38、R84和R99的进行，促进了基元反应R98的进行，进而引起水合物燃烧火焰温度的降低（化学作用），另一方面水蒸气的稀释效应降低了反应自由基浓度，引起整体燃烧强度的降低（物理作用）。最后，实验研究了不同层厚及强制气流形式下甲烷水合物沉积物的燃烧特性，构建了水合物沉积物燃烧的分层传热理论模型，发现减薄沉积物层厚有助于提高有效燃烧率、燃烧速率，降低燃烧能量损耗；高速纵向气流兼具动量传递的物理效应和输氧助燃的化学效应，能够提升燃烧温度、火焰对流传热效率、火焰高度。项目研究成果可为甲烷水合物的安全存储、高效利用及原位燃烧器的设计提供重要理论依据。