天然氣水合物及其生成促進(jìn)與抑制研究進(jìn)展

王林峰

摘要：天然氣水合物在很多方面有著非常重要的應(yīng)用前景，天然氣水合物被稱為化石燃料的替代資源，受到了世界各國(guó)研究者的高度重視。通過對(duì)天然氣水合物的組成、結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)進(jìn)行分析，了解天然氣水合物在能源利用和環(huán)境保護(hù)等方面的重要意義，需要對(duì)天然氣水合物進(jìn)行不斷研究并得出相關(guān)平衡理論，為未來的研究方向奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物;促進(jìn)與抑制;研究

天然氣水合物是一種由水和碳?xì)浞肿铀M成的物質(zhì)，天然氣水合物大多儲(chǔ)藏在極地永凍區(qū)以及深海地區(qū)等。世界各個(gè)國(guó)家的研究學(xué)者在對(duì)天然氣水合物研究的過程中，已經(jīng)確定天然氣水合物的結(jié)構(gòu)主要有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種類型，對(duì)天然氣水合物的研究所涉及到的領(lǐng)域比較多，天然氣水合物是一種能代替化石燃料的自然資源，因此對(duì)天然氣水合物的研究非常有意義。

1天然氣水合物的資源和環(huán)境意義

天然氣水合物在地球上的儲(chǔ)量非常巨大，所存在的區(qū)域大多為深海地區(qū)。天然氣水合物的儲(chǔ)量是化石燃料資源量的2倍多，因此很多國(guó)家將天然氣水合物來作為重要的戰(zhàn)略后備資源，天然氣水合物擁有埋藏淺、分布廣、能源密度大等特點(diǎn)。通過對(duì)天然氣水合物的結(jié)構(gòu)和組成成分進(jìn)行分析，認(rèn)為利用熱敷法，降壓法和化學(xué)試劑法能夠?qū)μ烊粴馑衔镞M(jìn)行開采，另外，在對(duì)天然氣水合物進(jìn)行分解的過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的淡水資源，從而可以緩解地球上的淡水危機(jī)，因此天然氣水合物被稱為戰(zhàn)略后備資源。

甲烷所形成的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍，全球氣候變暖會(huì)對(duì)天然氣水合物造成分解，使大量的甲烷氣體得以釋放，造成全球氣溫進(jìn)一步升高。目前世界各國(guó)正采用不同的方法來減少溫室氣體的排放，使用最常見的手段為水合物技術(shù)，利用該技術(shù)能夠?qū)⒋髿庵械亩趸挤蛛x出來，并以水合物的形式將其儲(chǔ)存于海洋深處。

2天然氣水合物及其生成促進(jìn)與抑制研究進(jìn)展

2.1天然氣水合物生成的促進(jìn)研究現(xiàn)狀

天然氣水合物生成效率問題主要有以下兩種研究方法。第一，熱力學(xué)方法，通過對(duì)天然氣水合物反應(yīng)體系中加入其他氣體添加劑，氣體添加劑可以占據(jù)水合物結(jié)構(gòu)中所沒有被占據(jù)的縫隙，降低水合物之間的轉(zhuǎn)換活化能，能夠有效提升天然氣水合物晶體中的填充率，在很大程度上可以促進(jìn)天然氣水合物的生成，并且能夠提高天然氣水合物的穩(wěn)定性。如在甲烷的水合物中添加丙烷氣體，可以降低甲烷水合物的生成條件，提高甲烷水合物的結(jié)構(gòu)特性，使其變得更加穩(wěn)定。第二，動(dòng)力學(xué)方法。目前該方法僅用于表面活性劑和助溶劑的研究。表面活性劑之所以能夠促進(jìn)水合物的生成，主要是因?yàn)楸砻婊钚詣┠軌蚪档蜌庖航缑鎻埩?，增加了擴(kuò)散傳質(zhì)的效率，在很大程度上幫助氣體更容易進(jìn)入液相狀態(tài)。

近年來很多研究者對(duì)表面活性劑做出了大量的實(shí)驗(yàn)研究，通過研究表明，陰離子表面活性劑在很大程度上能夠改善天然氣水合物的生成條件，非離子表面活性劑能夠減少天然氣水合物的生成時(shí)間，表面活性劑不僅可以促進(jìn)天然氣水合物的形成，加快了甲烷等氣體在水中的溶解速度，由此可以說明表面活性劑能夠有效促進(jìn)天然氣水合物的形成。

通過研究表明，外場(chǎng)對(duì)于水合物的生成也有促進(jìn)作用，一定量的微波可以加快天然氣水合物的分解，并且還可以減少天然氣水合物的誘導(dǎo)時(shí)間。利用相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，20W的微波可以將天然氣水合物的過冷度減少3℃左右，并且將水合物的誘導(dǎo)時(shí)間從4.5h減到1.3h，造成這種情況的原因?yàn)樵趬毫愣ǖ那闆r下，微波可以提高天然氣水合物的相平衡溫度，在微波的影響下，天然氣中的自由水會(huì)加速運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致加快天然氣水合物的形成。

2.2天然氣水合物生成的抑制研究進(jìn)展

天然氣水合物會(huì)造成輸氣管道堵塞，因此研究學(xué)者通過相平衡的熱力學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，在一定條件下天然氣水合物的生成條件，并對(duì)天然氣水合物生成進(jìn)行抑制研究，其中最常用的方法為干燥脫除法、加熱保溫法、降壓法等物理方法來進(jìn)行天然氣水合物抑制。

化學(xué)抑制法主要由熱力學(xué)抑制劑和動(dòng)力學(xué)抑制劑兩種，熱力學(xué)抑制劑主要是在生產(chǎn)過程中注入甲醇、乙醇等氣體添加劑來改變水合物的熱力學(xué)穩(wěn)定性，從而有效避免水合物的形成。動(dòng)力學(xué)抑制劑主要是依靠降低水合物生成的速度來避免管道出現(xiàn)堵塞，通過添加化學(xué)劑，來改變水合物的熱力學(xué)條件，有效抑制水合物的形成速率，動(dòng)力學(xué)抑制劑在應(yīng)用的過程中由于其用量少，并且抑制效率高等特點(diǎn)，已經(jīng)成為很多學(xué)者所研究的重點(diǎn)內(nèi)容。動(dòng)力學(xué)抑制劑雖然能夠抑制水合物的生成，但是不能解決水合物堵塞問題，當(dāng)水合物堵塞管道以后需要采用甲醛或者降壓等方式進(jìn)行解決，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中，將熱力學(xué)抑制劑和動(dòng)力學(xué)抑制劑混合使用，才能夠達(dá)到安全高效生產(chǎn)的目的。

防聚劑的利用可以降低水合物的聚集，防聚劑的主要原理是降低表面活性劑或者聚合物發(fā)生乳化作用，防止水活物晶體的形成，防聚劑不會(huì)受到溫度的影響。

目前我國(guó)對(duì)動(dòng)力學(xué)抑制劑的開發(fā)還不是特別成熟，主要的原因是分子結(jié)構(gòu)不是特別理想，通常情況下會(huì)受到溫度、壓力、溶解度的影響，造成抑制劑的作用機(jī)理失去原有的效果。因此需要研究動(dòng)力學(xué)抑制劑的分子結(jié)構(gòu)，開發(fā)出性能更好的抑制劑，能夠減少溫度變化對(duì)抑制劑的影響，從而降低成本，是目前我國(guó)天然氣水合物抑制研究的主要方向。

3結(jié)束語

從不同角度對(duì)天然氣水合物進(jìn)行研究，可以發(fā)現(xiàn)天然氣水合物是一種戰(zhàn)略儲(chǔ)備能源，能夠減少環(huán)境污染。通過對(duì)天然氣水合物抑制與促進(jìn)方面的研究對(duì)油氣工業(yè)的生產(chǎn)有著非常重要的意義，能夠有效促進(jìn)天然氣水合物的工業(yè)化生產(chǎn)。因此世界各國(guó)需要不斷加強(qiáng)對(duì)天然氣水合物促進(jìn)和抑制劑的開發(fā)，根據(jù)天然氣水合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，探索外場(chǎng)和其他化學(xué)劑的作用效果，可以有效提高對(duì)天然氣水合物的利用率，提供全新的理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)天然氣水合物進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。

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