乙烷水合物在微波场中相平衡实验及分解过程能效分析.pdf

中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用 学术会议论文 编号: 091079 乙烷水合物在微波场中相平衡实验及 分解过程能效分析 1,2,3 1,2* 1,2 1,2 何松 ，梁德青 ，李栋梁 ，马隆龙 (1 中国科学院广州能源研究所, 可再生能源及天然气水合物重点实验室, 广东广州, 510640; 2 中国科 学院广州天然气水合物研究中心, 广东广州, 510640; 3 中国科学院研究生院, 北京, 10049) (联系电话: 020 Email:liangdq@ms.giec.ac.cn) 摘要：微波加热作用速度快，灵活性高，可用于水合物的快速分解。实验研究了2.45GHz 弱微波场对 乙烷水合物体系冰点以上相平衡的影响，分析了乙烷水合物在微波场下分解热，并通过实验初步分析 了利用微波能分解乙烷水合物的能量效率。结果表明：约0.1kV/m～1kV/m 的微波场对乙烷水合物相平 衡温度影响小于 1K；在0.182kW/L 平均微波功率密度下，由 300ppm SDS 溶液生成的乙烷水合物平均 分解速率为3.27mol/h/L，最终能效比为7.8，能量效率达到36%。 关键词：水合物, 乙烷, 微波, 相平衡, 能量效率 1. 引言 天然气水合物(natural gas hydrate，简称gas hydrate)是在低温高压条件下由水 和天然气组成的类冰的、非化学计量的笼形结晶化合物，遇火即可燃烧，俗称“可燃冰”。 它是2l世纪最具开发前景的替代能源，一些发达国家正积极研究天然气水合物资源的开 发和利用。 微波是指频率为300～300 000 MHz的电磁波。在工业中常用来做加热的微波频率为 2450MHz和915MHz。微波在化学工业中已取得了很多成果，并已大量应用于各种化学工 业中，现在已经逐渐成为一门新兴学科——微波化学。 微波作为一种特殊形式的能量，在油气开发中的应用性研究已引起人们的重视。用 天然气水合物进行储存和运输天然气已经在国内外投入大量研究，如何实现水合物的高 效快速气化将是需要解决的问题。水合物的分解过程需要能量，可以使用热激法实现， 微波本身是种很好的加热途径，但是对于分解气化水合物的工业应用来说，还需要解决 很多问题。 目前国内外对微波作用下水合物热力学及分解过程的研究较少。R E Rogers等[1]使 用2.45GHz的微波源作用于实验室自制的水合物，得到了60W至860W微波功率下的气体产 气率。M.A.Fatykhov和N.Ya.Bagautdinov[2]实验研究了管道中丙烷水合物在微波场中的 分解，并与微波融化冰做了比较。国内的张军、魏爱军[3]等实验研究了微波对天然气水 合物分解的作用，但试验所用的微波源为10GHz的非工业加热用微波。08年，李栋梁等[4] 进行了微波分解甲烷水合物的实验研究，认为微波分解水合物可以有比水浴分解更高的 能效比，但比热激发的理论能效比还低很多。 * 国家自然科学基金和国家973 项目(2009CB219504)资助 目前，尚未见到有关气体水合物在微波场中相平衡的实验报道，及影响微波分解水 合物能效的实验分析。本文将通过定容图形法[5]，实验研究弱微波场中乙烷水合物的相 平衡条件，并基于微波分解乙烷水合物的实验结果，对能量效率做出分析。 2. 实验装置 整个实验装置由反应釜、微波系统、气路及水浴四部分组成（图 1）。反应釜半径 4cm，容积部分高14.93cm，体积750ml，外围有隔热层保护。四个PT-100 铠装温度传 感器探头分别位于离反应釜底部约A:0.7cm、B:2.6cm、C:4.1cm 及D:8.1cm 处。压力测 量使用威斯特中航CYB-2S 溅射薄膜式压力传感器，量程10MPa。本次实验的温度不确定 度为±0.1K，压力不确定度为±0.5%。 微波源产生的微波频率2.45GHz，功率0 至700 瓦线性可调，通过BJ-22 波导与终 端反