NaCl溶液中多组分瓦斯水合物的成核诱导时间

为加速多组分瓦斯水合化进程,利用可视化水合物实验设备,开展了3种瓦斯混合气在0.5%~3.5%NaCl溶液条件下成核动力学实验,运用直接观测法测定了水合物成核广义诱导时间。结果表明：多组分瓦斯水合物成核诱导时间随瓦斯组分中CH4浓度降低,C3H8浓度升高先减小后增大;添加NaCl可促进瓦斯水合成核,诱导时间随NaCl浓度增大而减小,NaCl浓度为3.5%时,诱导时间最短。基于水合物成核成簇模型和离子电离平衡理论,分析发现：多组分瓦斯中CH4与C3H8浓度的变化,一方面减少水合物生成过程中配位数转变,降低活化能而缩短诱导时间,另一方面生成“篮球-HSII”竞争结构而延缓水合物生成;NaCl电离出的Na+和Cl-分别以[Na(H2O)m]+和[Cl(H2O)n]-形式存在,促使瓦斯水合物前驱体尽快形成,从而促进瓦斯水合物成核。     

NaCl对瓦斯水合物相平衡的影响

相平衡条件及其影响因素对瓦斯水合物的快速大量生成具有重要指导意义,利用高压可视瓦斯水合实验装置并结合图解法研究了3种质量分数NaCl溶液(0.5%,2.0%和3.5%)体系中瓦斯混合气(CH4-C3H8-CO2-N2-O2)水合物相平衡条件。结果表明:NaCl改变了瓦斯水合物形成相平衡条件,致使相平衡条件更加苛刻;相同温度条件下,9组实验瓦斯水合物形成相平衡压力较纯水体系升高0.50~2.98 MPa。基于水合离子电离平衡理论建立了瓦斯水合物相平衡NaCl影响机理假说模型,认为NaCl电离出的Na+和Cl-强电场作用对水分子产生作用力,破坏了瓦斯气体分子周围水团簇结构形成。     

蒙脱石对瓦斯水合分离过程的影响

为探寻有效改善瓦斯水合分离速率和分离浓度的方法,研究了蒙脱石（MMT）-化学促进剂（SDS 0.40 mol/L,THF 0.20 mol/L）复配体系对水合物生成过程及CH4分离浓度的影响。实验获取了瓦斯水合物生成过程的压力-时间曲线,利用水合物生长速率模型对水合物生长速率进行计算,运用气相色谱仪测定分离产物中CH4浓度,并对MMT促进机理进行初步分析。结果表明：添加MMT实验体系的瓦斯水合物生长速率较空白实验分别提高了2.43×10 -6,1.45×10 -6和2.48×10 -6 m 3/min,诱导时间分别缩短了8,7和13 min,水合分离浓度分别提高了7.77%,5.07%,0.78%;一级水合分离产物中的CH4最大提纯浓度可达70.52%。     

丙烷对瓦斯混合气水合物相平衡的影响

利用全透明水合物相平衡测定装置,采用恒容温度搜索法测定了2种浓度CH4-C3H8-C2H6瓦斯混合气水合物相平衡条件,结合Sloan相平衡预测理论对比分析了C3H8添加影响。结果表明:由于丙烷的加入改变了水合物结构类型,使得14.1~19.4℃温度内,CH4-C3H8-C2H6混合气水合物相平衡压力较CH4-C2H6大幅度降低,压差最大至11.78 MPa;随着温度升高,C3H8对瓦斯水合物相平衡压力影响逐步增大;相同压力下,水合物相平衡温度随着丙烷含量的增大而升高;运用Chen-Guo水合物生成理论分析了C3H8添加影响机理。     

气液比对多组分瓦斯水合物含气量影响

利用可视化水合物实验设备,设定初始压力5 MPa、初始温度20 ℃,在0.1 mol/L四氢呋喃（THF）－0.2 mol/L十二烷基硫酸钠（SDS）复配溶液体系中进行多组分瓦斯水合物生成实验。根据气体状态方程（P-V-T）计算出4种气液比（40,60,80和100）反应体系中多组分瓦斯水合物含气量,从溶液的过饱和条件和水合物中晶体孔穴填充率的角度进行了机理分析。结果表明：对于同一种多组分瓦斯气体,反应体系气液比的增大,促进了瓦斯-溶液之间物质传递,加快了溶液的过饱和条件,提高了水合物中晶体孔穴填充率,致使水合物中含气量增大。     

合成瓦斯水合物诱导时间的研究

通过研究利用模拟瓦斯合成瓦斯水合物的诱导时间,以寻找缩短诱导时间的主要因素.结果表明：分别使用SDS（十二烷基硫酸钠）,SDBS（十二烷基苯磺酸钠）及吐温-80等表面活性剂可在煤矿井下温度和中高压的条件下生成瓦斯水合物,同时使用已融化的水合物进行重复实验可显著缩短诱导时间;而且温度越高,诱导时间越长.     

THF-SDS对瓦斯水合分离过程温度场分布影响

为探究THF-SDS复配溶液对瓦斯水合反应过程温度场影响,利用配备阵列式温度传感器的水合反应装置,研究了3组促进剂溶液(1 mol/L THF,1 mol/L THF+0.02 mol/L SDS,1 mol/L THF +0.1 mol/L SDS)体系中瓦斯混合气(85%CH4,7%N2,3%O2,5%CO2)水合分离过程温度场分布特征。结果表明：瓦斯水合体系中SDS浓度增加,反应放热速率呈递增趋势(0.030～0.230 kJ/min);反应热导致水合体系温度分布发生变化,体系上层温度最高,下层温度最低,体系中SDS浓度越高,温度梯度越明显;瓦斯水合物导热系数随体系温度分布发生改变(0.529～0.534 W/(m·K)),SDS浓度越高,瓦斯水合物导热系数越大。分析认为,THF-SDS复配溶液改善了瓦斯水合分离热力学条件,提高了气-水转化率,影响了不同水合体系温度场分布。     

十二烷基硫酸钠对瓦斯水合物生长速率的影响

运用可视化瓦斯水合物实验装置,研究了4种浓度（0.4、0.5、0.6和0.7 mol/L）十二烷基硫酸钠溶液对瓦斯体系水合物生长速率的促进效果,实验获取了瓦斯水合物生成过程的压力-时间曲线,利用水合物生长速率模型对水合物生长速率进行了计算。结果分析表明：十二烷基硫酸钠提高了水合物生长速率,促进了瓦斯水合物生成;十二烷基硫酸钠促进作用存在一个最佳浓度,在所研究的各个体系中,0.6 mol/L SDS溶液中瓦斯水合物生长速率最大,9.0 MPa压力条件下生长速率可达3.35×10^-5 m³/h。     

利用瓦斯水合机理防治煤与瓦斯突出的基础研究

设计并制造了可视化水合物试验装置。研究了瓦斯水合物在煤一纯水体系和煤-表面活性剂体系中的生成过程,结果显示:表面活性剂的加入能够缩短水合物生成的诱导时间及改善生成速率;在添加的表面活性剂的种类不同时,水合物生成的诱导时间和生成速率存在很大差异;在同样浓度的吐温系列的表面活性剂中,T40对水合物生成的促进作用最大。     

基于阻抗法煤体中瓦斯水合动力学研究

为探寻水合物技术在瓦斯突出防治方向上的应用工艺,利用瓦斯水合固化过程阻抗特性监测实验装置,研究4组不同煤体孔隙裂隙分布对瓦斯水合过程的影响,获取了煤体中瓦斯水合过程阻抗曲线,计算了瓦斯水合物生长速率与含气量。结果表明:实验釜上层位阻值增大,中层位与下层位阻值减小,瓦斯水合物集中在实验釜上层位与中层位形成;相同热力学条件下4组体系中瓦斯水合物生长速率分别为0.180,0.083,1.747,0.448 cm~3/min,水合物含气率分别为1.9×10~(-3),6.3×10~(-3),2.1×10~(-3),1.6×10~(-3)mol/cm~3,说明孔隙裂隙较发育煤体中瓦斯水合速率较快,所形成水合物具有较高的含气量。不同孔隙裂隙煤体中单位体积瓦斯水合物含气量不同,孔隙裂隙较发育煤体中瓦斯水合物形成量较大,基于准均匀占据理论,孔隙裂隙较发育煤体中瓦斯水合物所含空晶笼较多。     

阻抗测试方法在瓦斯水合防突模拟实验中的应用

阻抗法可以监测各种固体、液体内部以及界面电荷的束缚和移动的变化特性。利用突出煤体中瓦斯水合固化过程阻抗特性监测实验装置,以不同质量分数NaCl溶液作为煤体孔隙液体,测试了相同孔隙度煤体中瓦斯水合固化过程阻抗变化特征。结果显示:实验釜中阻抗变化分为三个层位区域,分析瓦斯水合过程阻抗变化特征曲线,上层位阻抗逐渐增大瓦斯水合物形成量较大,下层位阻抗逐渐降低水合物未在此区域形成。通过NaCl质量分数曲线标定,获取了水合反应水的转化情况,基于PR状态方程结合瓦斯变化情况建立了瓦斯水合物生长计算模型,依据色谱分析结果计算了瓦斯水合物的含气率。     

非离子型吐温系列表面活性剂对瓦斯水合物生成过程的影响

采用自制的可视化实验系统，对吐温(Tween)系列4组浓度均为0.001 mol/L的表面活性剂(T40，T80，T40/T80(1∶1)，T40/T80(4∶1))在瓦斯水合物生成过程的影响进行了实验研究，得到了相关的实验数据和图片；结合水合物诱导时间、生成速率及含气率等计算理论，对数据进行了分析.结果表明：表面活性剂的加入可显著地改善瓦斯水合物生成的热力学条件，有利于矿井瓦斯水合物的生成；T40对水合物生成的促进作用最大；相同浓度不同种类、相同种类不同复配比对水合物生成影响作用效果差别较大.     

THF溶液水合物技术提纯含氧煤层气的实验

针对大量矿井抽放瓦斯因CH₄浓度低、难以利用与储运的问题,提出了通过促进剂溶液水合物方式分离提纯含氧煤层气的方法.利用THF与SDS溶液,分别在合成试验台上对模拟含氧煤层气进行了不同初始压力下水合物分离提纯实验.结果表明：在5 ℃与初始反应压力为0.3 MPa时,THF溶液水合物技术可实现水合物生成与CH₄气体的分离与增浓,使含氧煤层气中CH₄浓度由1645%提高到61.70%;相同温度下当初始反应压力由0.3 MPa增加到1.0 MPa时,水合物中CH₄的浓度由61.70%降到56.20%,CH₄增浓效率随反应压力升高而降低;水合物分离技术在反应条件与安全性方面明显优于低温液化分离.