二氧化碳水合物浆在圆管中的流动特性

实验研究了固相分数为8.2%～23.1%的CO₂水合物浆在内径为8 mm的圆管中的流动特性。结果发现水合物浆在管内的流动压降随着流速的增加而增大。当流速低于0.60 m·s^-1时,浆体流变指数小于1,且随着固相体积分数的增大而减小,CO₂水合物浆为H-B流体,其表观黏度随着流速的增大而减小,呈剪切变稀特性。剪切速率为600 s^-1时,CO₂水合物浆的表观黏度为8.5～10.6 mPa·s。实验得到了CO₂水合物浆的流变特征参数及其流变方程,可为CO₂水合物浆的流动及其应用研究提供理论指导。     

水平管道水合物浆液流动特性的数值模拟

基于欧拉双流体模型,结合颗粒动力学理论,研究不同水合物颗粒体积分数、不同流速下非均匀颗粒水合物浆液流动过程中水合物颗粒聚集行为、流动压降及浆液速度分布。结果表明:浆液流动压降主要受流速影响,速度越大压降越大。颗粒体积分数在20%—35%,压降变化很小,当颗粒体积分数达到55%时,压降明显变大。水合物颗粒聚集程度随流速增大而降低,低水合物颗粒体积分数下,颗粒聚集呈悬浮状。随颗粒体积分数增大,水合物颗粒呈堆积状聚集,易造成管道堵塞;水合物浆速度梯度随颗粒体积分数增大而增大。随流速增大,速度由非对称变成对称分布,出现较大的速度梯度。保障水合物浆稳定安全流动存在一个临界颗粒体积分数和经济流速。数值模拟为水合物浆液管道输送技术的研究提供理论参考。     

水合物法平衡级分离CO2/N2流程模拟分析

化石燃料燃烧排放烟气中CO₂的量占CO₂总排放量的75%,为了缓解CO₂导致的全球温室效应,需将CO₂/N₂中的CO₂分离出来。水合物法分离是一种高效、低能耗的CO₂/N₂分离技术。本文研究了水合物法平衡级分离CO₂/N₂过程中,进料CO₂体积分数、反应条件与反应特性三者间的关系,利用CPA-SRK方程+Chen-Guo模型对其进行平衡级分离流程模拟分析。经计算发现,进料干基CO₂体积分数对水合物法分离CO₂/N₂工艺的反应压力、平衡级级数均有较大影响。随着体积分数的增加,反应压力呈减小趋势,减小幅度随体积分数增加而减小,当进料CO₂体积分数小于20%时,压力下降较快,当体积分数大于50%时,压力降低幅度变小。温度为277K时,CO₂体积分数小于10%时,需四个水合物平衡级分离才能得到满足要求的气样;当体积分数为10%~20%时,需三个水合物平衡级分离;体积分数大于30%时为两个水合物平衡级分离。温度对水合分离的反应压力有较大影响,但对所需平衡级分离级数的影响并不大。随着温度的升高,水合反应压力呈增加趋势,增加幅度随进料干基CO₂体积分数的增加而降低。针对所研究气样,在不同温度下,均需三个水合物平衡级分离才能达到工艺要求。     

CO2水合物浆在水平圆管中的传热特性

在CO₂水合物浆流动传热特性测试实验系统上,采用套管式电加热的方法对CO₂水合物浆进行了分解实验,并对CO₂水合物浆的流动传热特性进行了分析。对CO₂水合物浆的相变特性进行了研究,得到CO₂水合物浆的相变温度在8～12℃。研究了在固相体积分数为13.2%以及流速为0.45m/s的条件下CO₂水合物浆在内径为8mm的水平不锈钢管中的传热特性,计算得到CO₂水合物浆在不锈钢水平圆管中的对流传热系数为1500～1800 W/(m²·K),并且其在流动传热过程中呈现先增大随后趋向平稳的趋势,在水合物的相变区相应的对流传热系数表现最大。研究了分解加热功率对管壁温和对流传热系数的影响,发现加热功率对管壁温度的影响较强。在实际应用中可利用CO₂水合物浆的相变作用来增强传热,提高传热效率。     

纳米粒子对CO2水合物导热性能的影响

试验研究了不同种类（Al₂O₃、Cu、SiO₂）、不同质量分数（0.05%、0.1%、0.15%）及不同粒径（10、30、50 nm）的纳米粒子对CO₂水合物热导率的影响。结果表明温度为-5~5℃时,纯CO₂水合物热导率为0.553~0.5861 W·m^-1·K^-1,具有玻璃体的变化特性。分散剂SDBS的加入,可改善CO₂水合物-纳米粒子体系的导热性能。在相同的质量分数和粒径下,纳米Cu粒子对CO₂水合物热导率的增强作用最好,但综合考虑水合物生成特性和溶液悬浮稳定性,选用纳米Al₂O₃粒子较合适。Al₂O₃粒子粒径越小,水合物热导率越大,15 nm比50 nm纳米粒子体系中CO₂水合物热导率的增长率平均提高了12.7%。此外,CO₂水合物热导率随Al₂O₃粒子质量分数的增大而增大,质量分数由0.05%增加到0.15%时,水合物热导率的增长率由4.2%提高到8.2%。     

凹凸棒石体系下CO2水合物生成动力学实验

油气生产、储运及CO₂管道输送的过程中易生成CO₂水合物,添加抑制剂是预防CO₂水合物生成的有效手段。为解决CO₂水合物堵塞问题,本文采用超声波处理后的凹凸棒石作为抑制剂,利用可视化高压反应釜实验装置,在初始条件3 MPa和2℃下,研究了添加浓度为0、0.05mg/mL、0.30mg/mL、0.50mg/mL、0.75mg/mL、1.00mg/mL和1.50 mg/mL的凹凸棒石对CO₂水合物生成动力学的影响。用压力变化法测定了水合物生成诱导时间,用动力学模型计算了水合物生成量,并分析了凹凸棒石影响CO₂水合物生成的微观机理。实验结果表明凹凸棒石能延长CO₂水合物生成诱导时间,浓度为0.75mg/mL时作用效果最佳,较纯水体系CO₂水合物生成诱导时间延长了200%;凹凸棒石能减少CO₂水合物的生成量,浓度为1.5mg/mL时作用效果最佳,与纯水体系相比减少了12.8%。凹凸棒石抑制水合物生成的微观机理主要是由于其独特的选择吸附性以及对传质传热的阻碍。研究表明以凹凸棒石作为CO₂水合物抑制剂效果良好,能有效延长其诱导时间,兼具经济性和环境友好的特点。     

煤/生物质流态化富氧燃烧的CO2富集特性

流化床富氧燃烧是具有重要应用前景的燃烧中碳捕集技术。为更深入认识固体燃料的流态化富氧燃烧行为,构建了微型流态化反应-质谱联用实验系统,反应器直径10 mm,燃烧温度700～900℃,探索了基于在线质谱分析的流态化燃烧过程特性表征方法,以烟煤和花梨木为对象,研究了煤、生物质及其混合物在富氧气氛和流态化条件下的燃烧行为,重点考察了氧浓度、燃烧温度、煤与生物质质量比对CO₂谱峰曲线形态、反应总时间、起始反应时刻、烟气中富集CO₂体积分数、颗粒燃烧产生CO₂量、CO₂相对生成率等特性的影响。结果表明,在O₂/CO₂燃烧气氛下,随着氧体积分数增加,燃烧总反应时间缩短,颗粒燃烧产生的CO₂量和生成速率均增加,但烟气中富集的CO₂体积分数减小;提高燃烧温度,缩短了燃烧过程所需的时间,可以促进CO₂的富集,烟气中CO₂浓度、颗粒燃烧产生的CO₂量和生成速率均增加;生物质比例增大,起始反应时间提前,燃烧反应所需总时间减少,烟气中富集的CO₂浓度和颗粒燃烧产生的CO₂均减少,但CO₂生成速率增加。     

液化条件对多孔介质中CO2水合物生成过程的影响

为了研究液化条件对多孔介质中CO₂水合物生成过程的影响机制及其规律,在初始压力为3.9、4.2、4.5、4.8和5.1 MPa,温度为273.5、274.5和275.5 K条件下研究粒径为700μm的石英砂介质中CO₂水合物的生成过程。结果表明：在相同条件下,随着初始压力的增加,多孔介质中CO₂水合物的生成速率逐渐增大;当压力低于液化压力时,随着初始压力的增加,CO₂水合物的生成速率逐渐增大,且温度越高,水合物生成速率增加的趋势越明显;当CO₂气体压力达到液化压力时,随着初始压力的不断升高,CO₂水合物的生成速率明显增大;多孔介质中CO₂水合物的最大生成速率达到了9.297×10^-3 mol·s^-1。研究结果进一步表明：液化可有效强化多孔介质中CO₂水合物的生成过程,提高CO₂水合物的生成速率。     

四氢呋喃水合物浆流动特性

利用实验环道进行了水合物颗粒体积分数为0～65.2%的四氢呋喃(THF)水合物浆的流动实验。管道生成四氢呋喃水合物后,水合物浆的压降梯度随着流速的增加而增加;随水合物体积分数的变化存在一个临界体积分数,当管道中的水合物体积分数小于临界值时,压降随体积分数的增加而出现很小的增加,管道中水合物呈稀浆状,浆体为牛顿流体;当管道中体积分数大于临界值时,压降梯度随体积分数的增加急剧增加,管道中水合物呈泥状,浆体为Bingham流体。临界体积分数随着浆体流速的增加而增大,在0.5～3.5m/s的范围内,临界体积分数为39.4%～50.4%,文中回归了泥状水合物的屈服应力及表观黏度。并根据水合物浆的流动特性分段回归了水合物浆在管道中流动的压降计算公式,实验验证表明回归的计算公式可以比较准确地计算管道中水合物浆流动的压降,可以为THF水合物的流动及其它水合物浆的流动提供指导。     

木屑炭高温CO2气化特性研究

在高温固定床反应器中,以木屑炭为原料,进行木屑炭CO₂气化的特性研究。考察了气化温度和CO₂流量对燃气各组分体积分数、热值、固体产率、产气率的影响。结果表明：随着气化温度从750 ℃升高到950 ℃,CO体积分数明显增加,CO₂体积分数明显减少,燃气热值增加较明显,而从950 ℃升高到1 050 ℃时,燃气热值增加趋势减缓。CO₂作为气化介质,随着其流量增加,固体产率减少,气体产率增加,燃气组分中CO₂体积分数明显增加,CO体积分数先增加后减少,燃气热值先增大后减小。CO₂流量为15 mL/（min·g）时,燃气热值最大。气化温度950 ℃、CO₂流量15 mL/（min·g）为较佳的气化条件,此时气化制备的气体中CO体积分数为51.51%,CO₂体积分数为37.99%,燃气热值为8.03 MJ/m³,产气率为0.78 L/g。     

Energy efficiency analysis of natural gas hydrates production method

The decomposition of natural gas hydrates is a phase change process, which involves the consumption and conversion of various forms of energy, such as electrical energy, chemical energy, and thermal energy. In order to evaluate the economy capacity of natural gas hydrates exploitation, an exergy model was established to calculate the energy efficiency ratio (EER) of hydrate production method. The CO₂ replacement method is taken as a case study to introduce the calculation equation and flow chart of energy efficiency ratio in any production period. The amount of CO₂ injection, gas production and mole fraction of methane in produced gas are three key parameters in the process of CO₂ replacement. The ratio between the amount of gas production and CO₂ injection is defined as production injection ratio to eliminate the influence of deposit size. This work studied the influence of production injection ratio and the mole fraction of methane in produced gas on EER. The results show that the EER of gas hydrates production by CO₂ replacement is between 0.31 and 6.4 under the set conditions, and it increases with the increase of production injection ratio. In addition, increasing the mole fraction of methane in produced gas can reduce the energy consumption for gas separation and increase EER. Therefore, there are two effective ways to increase EER of CO₂ replacement through controlling the amount of gas production and the mole fraction of methane in produced gas. The EER model is established to provide guidance for the optimization of gas hydrate mining process.     

天然气水合物置换开采的能源效率研究

天然气水合物分解是一个相变过程，开采时涉及各种形式能量的消耗和转化，如电能、化学能、热能等。为了科学地评价天然气水合物开采技术的经济性，建立了以有效能（）为核心的能源效率计算方程，并以CO₂置换法开采天然气水合物为例，介绍任意生产周期内能源效率的计算方法和流程框图。在CO₂置换开采天然气水合物的工艺过程中，注气量、产气量和产气中甲烷含量是三个关键参数，将产气量与注气量之比定义为采注比，分析采注比及产气中甲烷含量对能源效率的影响。结果表明：在设定条件下CO₂置换开采天然气水合物的整体能源效率介于0.31～6.4之间；增大采注比，有利于提高能源效率；产气中甲烷的摩尔分率越高，气体分离的能耗越低，能源效率也可显著提高。因此，调控产气量和产气中甲烷摩尔分率是提高CO₂置换法能源效率的主要途径。通过所建立的能效计算方程为天然气水合物开采工艺的优化提供指导。     

间歇流下二氧化碳水合物生成形态与堵塞机理

为明确二氧化碳水合物在间歇流条件下的生成形态与堵塞机理,采用高压可视实验环路进行了气团流及段塞流体系下的二氧化碳水合物的生成实验,分析了气团流与段塞流下二氧化碳水合物生成及堵塞形态图像。结果表明：气团流下水合物主要生成位置为管道顶部,以持续增长的水合物层的形式逐步减小环路流通面积,最终导致堵塞;段塞流下水合物在液相及管道顶部均有大量生成,但受制于大流量的冲刷,顶部水合物层无法长期存在,破碎落入液相主体中,导致液相主体黏度上升,流动阻力增大,流速下降,进而为液相中絮状水合物的并聚成块提供条件,液相中水合物的不断聚集是段塞流下水合物堵管的主要原因。此外,段塞流下生成的中空水合物球体是一种特殊的水合物形态,这类水合物多形成于液塞区与液膜区交界处。由于其内包裹着气体,故而会浮于液相空间上部,也会受扰动而破碎成片状水合物,但都无法在顶部空间聚集紧实形成致密水合层。     

Hydrate formation from liquid CO2 in a glass beads bed

CO₂ sequestration in marine sediments as solid hydrates is a potential way to capture and store anthropogenic CO₂. In this study, hydrate formation from liquid CO₂ in marine sediments was simulated in a glass beads bed, and the factors affecting the kinetics of hydrate formation were investigated. The results indicated that the rapid initial hydrate formation with a high driving force always increases the mass transfer resistance, which slows down hydrate growth. The final ratio of water conversion is higher under conditions of low temperature and higher pressure. A smaller particle size is conductive to initial CO₂ hydrate growth, but the water conversion ratio in a bed with larger particles is slightly higher. Compared with other factors, the change in water saturation has an obvious effect on the final water conversion. To inhibit the initial hydrate formation during the injection process, in this paper, a kinetic inhibitor is proposed for pre-injection into marine sediments. This work shows that at a low pressure, a low-concentration inhibitor has an obvious inhibition effect on hydrate growth. However, at a high pressure, it is necessary to increase the concentration of inhibitor to produce an obvious inhibition effect.     

Spectroscopic analysis of carbon dioxide and nitrogen mixed gas hydrates in silica gel for CO2 separation

In this study solid-state NMR spectroscopy was used to identify structure and guest distribution of the mixed N₂ + CO₂ hydrates. These results show that it is possible to recover CO₂ from flue gas by forming a mixed hydrate that removes CO₂ preferentially from CO₂/N₂ gas mixture. Hydrate phase equilibria for the ternary CO₂–N₂–water system in silica gel pores were measured, which show that the three-phase H–L_w–V equilibrium curves were shifted to higher pressures at a specific temperature when the concentration of CO₂ in the vapor phase decreased. ¹³C cross-polarization (CP) NMR spectra of the mixed hydrates at gas compositions of more than 10 mol% CO₂ with the balance N₂ identified that the crystal structure of mixed hydrates as structure I, and that the CO₂ molecules occupy mainly the abundant 5¹²6² cages. This makes it possible to achieve concentrations of more than 96 mol% CO₂ gas in the product after three cycles of hydrate formation and dissociation.     

不同季铵盐作用下的CO2水合物相平衡

CO₂气体水合物形成热力学性质是实施海水淡化、沼气纯化、碳捕集和封存、能源利用、天然气储存等技术的关键。采用恒容温度搜索法,在温度272.75~294.35 K,压力0.35~4.50 MPa的范围内,探究了四种季铵盐促进剂对CO₂气体水合物相平衡的影响。结果表明,相同条件下,季铵盐作用下CO₂水合物的相平衡温度由高到低分别为：四丁基氟化铵（TBAF）>四丁基溴化铵（TBAB）>四丁基氯化铵（TBAC）>苄基三乙基氯化铵（TEBAC）。基于Clausius-Clapeyron方程,计算了不同体系的相变潜热,探讨了其对水合物稳定性的影响。可以看出,水合物的相平衡压力对数与温度倒数呈线性关系,其中,TBAF、TBAB作用下的CO₂水合物相变潜热相接近且明显高于其他季铵盐,说明其促进效果最好,所对应的水合物生成条件也最为温和。利用Chen-Guo模型,结合PR状态方程和改进Joshi经验活度模型,分别计算了TBAF、TBAB、TBAC和TEBAC作用下CO₂水合物热力学相平衡数据,计算结果与实验数据吻合良好,最大平均相对误差为7.50%。