基于油水分散体系水合物法固态储存天然气相关调控机制研究

The technology of natural gas storage in hydrate form has advantages of high gas storage capacity, safety, and economy. However, there exist bottleneck factors restrict the industrial application of this technology, that is, low formation rate, low water conversion, low continuous production capacity, and high dissociation rate. Aiming at the industrial application of the technology of natural gas storage in hydrate form, in this item, we first try to develop the chemical additives which can form flowable hydrate slurry in oil + water system. Then using a bubble method, methane bubbles in buoyant process countercurrent contact with oil-water emulsion to strengthen the rapid formation of hydrate, which can solve the key scientific issues that how to form high storage capacity hydrate rapidly and how to product hydrate continuously. Meanwhile, we will study on the nucleation, growth, agglomeration, break of hydrate in mesoscopic scale during the gas bubble buoyant process. The mass transfer mechanism for multiphase growth of structures I and II hydrate in microscopic scale will also be explored. The influence of temperature, pressure, stirring rate, chemical additive type on formation rate, morphology, and conversion rate for hydrate slurry will be examined. We also try to perform the pilot continuous production experiment for hydrate and provide the process optimization parameters for the technology of hydrate production and natural gas storage.

水合物法固态储存天然气技术具有储气量大、安全、经济等优势，但水合物生成速度慢、转化率低、连续生产能力差以及分解速度快成为制约该技术工业应用的关键因素。本项目以天然气水合物固态储存技术的工业应用为目标，开发油水体系中能形成具有流动性的水合物浆液的化学剂，并采用鼓泡法令甲烷气泡在上浮过程中与油水乳液逆流接触，强化水合物的快速生成，解决如何快速形成储气密度高、一定规模的水合物,以及水合物连续生产的调控机制等关键科学问题，同时研究内嵌的介观尺度气泡上浮过程中水合物的成核、生长、聚并、破裂规律以及微观尺度多结构水合物膜混相生长传质机理，考察温度、压力、搅拌速率、阻聚剂类型对水合物浆液宏观形成速率、水合物形态、水合物转化率的影响，并进行固态水合物规模化连续生产试验，为水合物固态生产-储存工艺优化设计提供理论依据。

水合物法固态储存天然气技术具有储气量大、安全、经济等优势，但水合物生成速度慢、转化率低、连续生产能力差以及分解速度快成为制约该技术工业应用的关键因素。本项目以天然气水合物固态储存技术的工业应用为目标，针对如何快速形成储气密度高、一定规模的水合物,以及水合物连续生产的调控机制等关键科学问题，首先研究了油水分散体系中甲烷气体水合物生长速率、颗粒形态和尺寸变化规律，测量了含不同类型阻聚剂、不同含水的油包水乳液的黏度及不同含水乳液的黏度随温度的变化规律,分析流动体系中水合物颗粒的生长机理，建立了油包水乳液体系水合物生长机理模型，确定了适宜的阻聚剂配方；其次考察了不同形成过冷度的水合物壳自由上浮过程的破裂压力和破裂时的形态变化，观测到水合物壳的裂口处水合物膜的二次生长现象，考察了不同过冷度形成的水合物壳在上浮过程中的破裂压力，建立了水合物膜横向生长传热模型; 研究了悬浮气泡表面纯CH4水合物膜以及4种不同组成CH4-C2H6混合气体在5组过冷度下水合物膜横向生长和增厚生长过程，发现了水合物膜混相生长现象，建立了膜相对厚度测量方法，通过拉曼光谱面积比变化值比较其不同体系下膜增厚速率以及增厚生长规律；最后在上述研究基础上，基于乳液体系水合物连续生产概念流程，完善了工艺流程设计并搭建了一套处理能力为1 m3(H2O)/d的水合物连续生产中试装置，采用该装置分别进行了间歇和连续生产实验，为天然气水合物法固态生产-储存工业化奠定了基础。共发表SCI收录论文18篇，会议论文5篇，学术专著1部，授权发明专利2项，培养博士研究生4名，博士后1名，硕士研究生3名。