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(中國科學(xué)院廣州能源研究所氣體水合物中心，廣州) 收錄來源: 中國新能源網(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，本文將對微波和天然氣水合物的作用的國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展進(jìn)行介紹，并對之進(jìn)行適當(dāng)評述，最后對微波在天然氣工業(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。

微波與無線電波、紅外線、可見光一樣都是電磁波，微波是指頻率為300MHz-300KMHz的電磁波，即波長在1米到1毫米之間的電磁波。在工業(yè)中常用來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．國內(nèi)外研究進(jìn)展

1．1 國外對微波和天然氣水合物作用的實(shí)驗(yàn)研究

國外對水合物的研究起步較早，但由于實(shí)驗(yàn)難度太大，對微波和水合物的研究也很少，1999年3月，美國密西西比州立大學(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。可惜的是作者的主要任務(wù)是研究用天然氣水合物進(jìn)行儲氣，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)研究沒有延續(xù)下去。

1．2我國對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始，據(jù)文獻(xiàn)[2]報(bào)道，集美大學(xué)的張軍、魏愛軍等曾經(jīng)對其做過研究，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.