微波作用下天然氣水合物分解的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景

　　作者： 李棟梁 樊栓獅（中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所氣體水合物中心，廣州） 收錄來(lái)源： 中國(guó)新能源網(wǎng)
　　
　　【摘要】微波具有獨(dú)特的加熱效果，已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)證明微波對(duì)天然氣水合物的分解有很大的促進(jìn)作用，具有一定的應(yīng)用前景，本文將對(duì)微波和天然氣水合物的作用的國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展進(jìn)行介紹，并對(duì)之進(jìn)行適當(dāng)評(píng)述，最后對(duì)微波在天然氣工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行展望。
　　
　　天然氣水合物（Natural Gas Hydrate,簡(jiǎn)稱Gas Hydrate），又稱籠形包合物（Clathrate），它是在一定條件（合適的溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、pH值等）下由水和天然氣組成的類冰的、非化學(xué)計(jì)量的、籠形結(jié)晶化合物，其遇火即可燃燒，俗稱“可燃冰”.它可用M.nH2O來(lái)表示，M代表水合物中的氣體分子，n為水合指數(shù)（也就是水分子數(shù)）。組成天然氣的成分如CH4、C2H6、C3H8、
　　
　　C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等。
　　
　　微波與無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)光一樣都是電磁波，微波是指頻率為300MHz-300KMHz的電磁波，即波長(zhǎng)在1米到1毫米之間的電磁波。在工業(yè)中常用來(lái)做加熱的微波頻率為2450MHz和915MHz.
　　
　　微波在化學(xué)工業(yè)中已取得了很多成果，并已大量應(yīng)用于各種化學(xué)工業(yè)中，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸成為一門(mén)新興學(xué)科--微波化學(xué)。主要原因是
　　
　　微波具有獨(dú)特的加熱性能，其加熱與其他的加熱方式不同，熱量從介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生，溫度場(chǎng)比較均勻，所以非常有利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。而天然氣水合物是一種極性分子，它對(duì)微波有一定的吸收作用（天然氣水合物的介電常數(shù)大約為58,比冰略小[1]），在微波的輻射下會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)而分解。因此，在微波的作用下，可以加快天然氣水合物的分解，也可以抑制水合物的生成。
　　
　　1.國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展
　　
　　1.1 國(guó)外對(duì)微波和天然氣水合物作用的實(shí)驗(yàn)研究
　　
　　國(guó)外對(duì)水合物的研究起步較早，但由于實(shí)驗(yàn)難度太大，對(duì)微波和水合物的研究也很少，1999年3月，美國(guó)密西西比州立大學(xué)的教授R. E. Rogers作了一個(gè)報(bào)告，他在報(bào)告中提到了的他們的一點(diǎn)研究[3].其實(shí)驗(yàn)裝置如圖
　　
　　1所示。
　　
　　圖1 微波實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖
　　
　　實(shí)驗(yàn)中的天然氣水合物由該實(shí)驗(yàn)裝置制備，為了保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性和實(shí)驗(yàn)用水完全生成水合物，在水合物生成四天后才做微波分解實(shí)驗(yàn)，微波源為
　　
　　2450MHz,最大功率為1500瓦，微波的加入功率從60瓦逐漸增加到860瓦，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示
　　
　　圖2 微波功率與氣體產(chǎn)生率的關(guān)系
　　
　　在研究中發(fā)現(xiàn)在微波到190瓦時(shí)，溫度有一個(gè)向下的尖峰，而這時(shí)的氣體分解率最大�？上У氖亲髡叩闹饕�任務(wù)是研究用天然氣水合物進(jìn)行儲(chǔ)氣，認(rèn)為大量的水合物分解可以用更經(jīng)濟(jì)的方法得到，例如利用火電廠冷卻塔的熱水，因此實(shí)驗(yàn)研究沒(méi)有延續(xù)下去。
　　
　　1.2我國(guó)對(duì)微波和天然氣水合物作用的實(shí)驗(yàn)研究
　　
　　天然氣水合物的研究在我國(guó)起步較晚，而研究微波和天然氣水合物的相互作用也剛剛開(kāi)始，據(jù)文獻(xiàn)[2]報(bào)道，集美大學(xué)的張軍、魏愛(ài)軍等曾經(jīng)對(duì)其做過(guò)研究，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)裝置如圖3.
　　
　　圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖
　　
　　注：1.微波源；2.波導(dǎo)；3.定向偶合器；
　　
　　4.矩圓過(guò)度器；5.水合物容器（包括5-1透明管，5-2、5-3容器進(jìn)出口閥）；6.水管；7.水龍頭
　　
　　實(shí)驗(yàn)所用的的微波源為3kW、10GHz,水合物樣品取自四川石油管理局川西北礦區(qū)，并用冰柜低溫保存。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論為：
　　
　　（1）微波對(duì)天然氣水合物的分解作用非常明顯，只要數(shù)十瓦的作用功率，就會(huì)使水合物生成區(qū)域內(nèi)的溫度很快升高至分解溫度以上，從而使水合物能夠在很短的時(shí)間內(nèi)分解。
　　
　　（2）對(duì)于一定的微波作用功率，微波作用區(qū)域內(nèi)（水合物）的溫度隨微波作用時(shí)間呈近似線形升高。
　　
　　（3）提高微波作用功率，單位時(shí)間內(nèi)的平均溫升增大，水合物分解速度也增大。
　　
　　1.3結(jié)果分析
　　
　　把微波獨(dú)特的加熱作用及電磁特性應(yīng)用于天然氣水合物是一項(xiàng)新的課題，存在著許多難題，但從已做的實(shí)驗(yàn)和得出的結(jié)論來(lái)看，微波對(duì)天然氣水合物的分解作用明顯，在防止管道堵塞、水合物儲(chǔ)氣等工業(yè)中水合物的快速分解已水合物資源的開(kāi)采等工業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景。
　　
　　2.微波在天然氣工業(yè)中的應(yīng)用展望

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