一种水合物法海底封存二氧化碳的实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种水合物法海底封存二氧化碳的实验装置及方法，实验装置包括高压反应釜、压力控制系统和数据采集系统；高压反应釜用于模拟水合物成藏的海底地层环境，压力控制系统用于控制高压反应釜内的压力和气体流动，数据采集系统用于采集实验过程中各感应元件的感应信号，获得具体的实验参数。本发明专利技术的实验装置及方法能够真实模拟二氧化碳在海底沉积物中的扩散以及水合物形成等一维动力学过程，能够为综合考察水合物法海底封存二氧化碳的动力学机理提供了大量的测量参数，同时实验装置结构紧凑，实验方法科学合理，对于丰富气体水合物动力学研究方法和推进水合物法二氧化碳海底封存技术的应用具有重要意义。

An experimental device and method for storing carbon dioxide by hydrate method

【技术实现步骤摘要】
一种水合物法海底封存二氧化碳的实验装置及方法
本专利技术涉及二氧化碳海底封存
，具体涉及一种水合物法海底封存二氧化碳的实验装置及方法，能够真实模拟二氧化碳在海底沉积物中的扩散以及水合物形成等一维动力学过程，以了解二氧化碳在海底地层封存过程中的一般规律和运移机理。
技术介绍
水合物法二氧化碳海底封存技术是一种新型的二氧化碳封存技术。该技术通过将二氧化碳注入海底地层中，通过高压二氧化碳与地层中的海水形成二氧化碳水合物的方式将二氧化碳稳定的封存于海底地层。相比于其它二氧化碳封存技术，利用气体水合物封存二氧化碳技术具有诸多特点。首先，二氧化碳水合物的储气密度大。通常情况下1体积的水合物可以存储90-130体积标准状态下的二氧化碳。相比于压缩气体的方式，水合物储气密度更大且更加高效。第二，二氧化碳水合物赋存的热力学条件相对于液态二氧化碳的存储更加温和，有利于长期保持稳定。在海底沉积物中，温度和压力基本保持不变，二氧化碳一旦形成气体水合物后则可以实现长期封存。二氧化碳水合物通常在300-500米深的海底即可形成，同时以气体水合物的形式封存二氧化碳的有效时间至少为10万年。因此，这种封存方式不仅可以解决沿海经济发达地区采用陆上封存可能带来的土地占用问题并且降低了二氧化碳输运所带来的成本。第三，二氧化碳水合物的形成不需要复杂的形成条件。在低温高压的海底地层环境中二氧化碳可自发的与地层中的自由水分子结合形成二氧化碳水合物，不需要其它的反应助剂，有利于简化二氧化碳封存方法，降低二氧化碳封存所需能耗。水合物法封存二氧化碳技术的在我国东部沿海地区的推广具有诸多优势。首先，我国碳排放密集区域主要集中在粤港澳大湾区、长三角经济带等经济发达的东部沿海。这些地区拥有广阔的沿海大陆架，为水合物法二氧化碳海底封存技术充足的地质条件。其次，我国东部沿海地区土地资源相对紧缺，同时面临较为严格的环境保护的压力，能够满足二氧化碳地质和地表封存所需的地质条件的区域较少，同时还需要负担较高的路上输运成本，因此不利于二氧化碳地质和地表封存技术的应用。而水合物法二氧化碳海底封存技术不会对地下淡水资源和地质结构等进行破坏，相反，形成的二氧化碳水合物相比于自由水流动性大大降低，能够增强二氧化碳封存点的地质结构强度，同时海上输运不占用陆上交通资源，能够极大的节省陆上输运成本。第三，水合物法二氧化碳海底封存对海底地质结构的强化作用，能够预防天然气水合物开采所可能造成的潜在地质灾害。因此，可以利用二氧化碳水合物的形成来弥补海底能源开采所可能造成的地质结构强度降低。水合物法封存二氧化碳的相关研究目前依然处于起步阶段。尽管二氧化碳水合物被证明可以在理论条件下的地质环境中生成，但是水合物在特定环境中的形成与分解动力学特性尚不清晰。例如，温度和压力对水合物生成速率的影响，水合物在注入二氧化碳后的形成时间与形成位置，沉积物中孔隙率和含水率对于阻碍二氧化碳生成与扩散的效果等。上述研究对于确定二氧化碳的注入方式、有效封存量、安全性以及封存时间都具有十分重要的影响。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术分析了海底地层环境的主要特点，并考虑了实际的实验测量技术，提供一种水合物法海底封存二氧化碳的实验装置及方法，能够真实模拟二氧化碳在海底沉积物中的扩散以及水合物形成等一维动力学过程，以了解二氧化碳在海底地层封存过程中的一般规律和运移机理。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种水合物法海底封存二氧化碳的实验装置，包括高压反应釜、压力控制系统和数据采集系统；所述的高压反应釜包括具有圆柱形内腔体的反应釜筒体和安装在反应釜筒体上下两端的端盖；内腔体的上下两端均设置有活塞，端盖与活塞之间构成液压腔，两个液压腔均通过管道与恒压泵相连；还包括与活塞相连的呈中空结构的活塞杆，活塞杆的另一端伸出端盖，活塞中部设置有通孔，上端的活塞和活塞杆构成高压反应釜的进气口，下端的活塞和活塞杆构成高压反应釜的排气口；所述的反应釜筒体外部包裹有水浴夹套，所述的反应釜筒体侧壁沿轴线方向设置有多组温度、压力、电阻率测点，其上安装有压力传感器、电阻式温度计和电阻率探针；所述的高压反应釜的进气口与出气口之间设置有压差传感器；所述的反应釜筒体两端设置有与活塞杆相连的位移传感器；所述的压力控制系统包括高压气瓶、减压阀、气体缓冲罐、气液分离器、干燥器、背压阀、微调阀、气体流量计和真空泵；气体缓冲罐上安装有压力传感器和温度传感器；高压气瓶经减压阀与气体缓冲罐入口相连，气体缓冲罐出口经减压阀与高压反应釜进气口相连；高压反应釜排气口末端分成两条气路，一路经针阀直接排出，另一路经气液分离器与干燥器入口相连，干燥器出口分为两路，一路与真空泵相连，另一路经背压阀、微调阀和气体流量计相连；所述的数据采集系统包括数据采集仪，用于采集高压反应釜中各测点的压力、温度和电阻率、采集高压反应釜两端的活塞位移、采集高压反应釜进气口和排气口的差压、采集排气管路中的气体流量、采集气体缓冲罐的温度和压力。作为本专利技术的一种改进，所述的安装在反应釜筒体侧壁的压力传感器通过高压管路与高压反应釜的内腔体连通，所述的气体缓冲罐的出口通过管道与高压管路连通，构成吹扫管路。可防止沉积物中的水流入高压反应釜与压力传感器连接的高压管路后形成水合物并堵塞管路造成压力传感器测量数据失效，从而保证压力传感器的精确测量。作为本专利技术的一种改进，所述的高压反应釜的中部垂直于高压反应釜轴线的方向上设置有旋转轴，旋转轴与驱动机构相连，以带动高压反应釜沿旋转轴360°旋转。可模拟海底底层中二氧化碳向不同方向上的扩散过程。作为本专利技术的一种改进，所述的高压反应釜的内腔体的长径比介于6.8-8.9之间。能够较好的模拟气体在一维方向上的扩散过程，同时考虑到温度计和电阻传感器探针对气体扩散作用的影响。一种水合物法海底封存二氧化碳的实验方法，基于上述的实验装置实现，包括以下步骤：制备砂样：筛选出合适粒径的天然砂，将天然砂清洗干净放在干燥箱中烘干，然后取出天然砂，向其中注入蒸馏水并充分搅拌混合；填充高压反应釜：拆掉高压反应釜上的电阻温度计、电阻率探针以及进气端的活塞，向高压反应釜分多次添加制备好的砂样，每次添加砂样后应用锤头反复夯实，当添加完全部砂样后，用进气端的活塞密封高压反应釜并开启恒压泵，推动活塞将砂样进一步压实，最后插入电阻温度计和电阻率探针；进气前准备：开启低温恒温槽，向高压反应釜外部的水浴夹套内注入循环冷却液，使高压反应釜内部温度降至水合物生成温度，将高压反应釜倒置，通过真空泵对高压反应釜内部抽真空，随后将高压反应釜静置并每隔6个小时将高压反应釜转动90°，持续一周时间，使砂样中的自由水均匀分布；实验测量：向高压反应釜内注入二氧化碳，使高压反应釜内的压力超过二氧化碳水合物所需的最低压力，开始水合物的生成，此过程中，每隔15分钟，将高压反应釜与气体流量计相连接的阀门打开，并调节背压阀和微调阀，使排出的二氧化碳流量稳定，记录高压反应釜两端的差压值，同时记录高压反应釜内各测点的温度、压力和电阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水合物法海底封存二氧化碳的实验装置，其特征在于：包括高压反应釜、压力控制系统和数据采集系统；/n所述的高压反应釜包括具有圆柱形内腔体的反应釜筒体和安装在反应釜筒体上下两端的端盖；内腔体的上下两端均设置有活塞，端盖与活塞之间构成液压腔，两个液压腔均通过管道与恒压泵相连；还包括与活塞相连的呈中空结构的活塞杆，活塞杆的另一端伸出端盖，活塞中部设置有通孔，上端的活塞和活塞杆构成高压反应釜的进气口，下端的活塞和活塞杆构成高压反应釜的排气口；/n所述的反应釜筒体外部包裹有水浴夹套，所述的反应釜筒体侧壁沿轴线方向设置有多组温度、压力、电阻率测点，其上安装有压力传感器、电阻式温度计和电阻率探针；所述的高压反应釜的进气口与出气口之间设置有压差传感器；所述的反应釜筒体两端设置有与活塞杆相连的位移传感器；/n所述的压力控制系统包括高压气瓶、减压阀、气体缓冲罐、气液分离器、干燥器、背压阀、微调阀、气体流量计和真空泵；气体缓冲罐上安装有压力传感器和温度传感器；高压气瓶经减压阀与气体缓冲罐入口相连，气体缓冲罐出口经减压阀与高压反应釜进气口相连；高压反应釜排气口末端分成两条气路，一路经针阀直接排出，另一路经气液分离器与干燥器入口相连，干燥器出口分为两路，一路与真空泵相连，另一路经背压阀、微调阀和气体流量计相连；/n所述的数据采集系统包括数据采集仪，用于采集高压反应釜中各测点的压力、温度和电阻率、采集高压反应釜两端的活塞位移、采集高压反应釜进气口和排气口的差压、采集排气管路中的气体流量、采集气体缓冲罐的温度和压力。/n...

【技术特征摘要】
1.一种水合物法海底封存二氧化碳的实验装置，其特征在于：包括高压反应釜、压力控制系统和数据采集系统；
所述的高压反应釜包括具有圆柱形内腔体的反应釜筒体和安装在反应釜筒体上下两端的端盖；内腔体的上下两端均设置有活塞，端盖与活塞之间构成液压腔，两个液压腔均通过管道与恒压泵相连；还包括与活塞相连的呈中空结构的活塞杆，活塞杆的另一端伸出端盖，活塞中部设置有通孔，上端的活塞和活塞杆构成高压反应釜的进气口，下端的活塞和活塞杆构成高压反应釜的排气口；
所述的反应釜筒体外部包裹有水浴夹套，所述的反应釜筒体侧壁沿轴线方向设置有多组温度、压力、电阻率测点，其上安装有压力传感器、电阻式温度计和电阻率探针；所述的高压反应釜的进气口与出气口之间设置有压差传感器；所述的反应釜筒体两端设置有与活塞杆相连的位移传感器；
所述的压力控制系统包括高压气瓶、减压阀、气体缓冲罐、气液分离器、干燥器、背压阀、微调阀、气体流量计和真空泵；气体缓冲罐上安装有压力传感器和温度传感器；高压气瓶经减压阀与气体缓冲罐入口相连，气体缓冲罐出口经减压阀与高压反应釜进气口相连；高压反应釜排气口末端分成两条气路，一路经针阀直接排出，另一路经气液分离器与干燥器入口相连，干燥器出口分为两路，一路与真空泵相连，另一路经背压阀、微调阀和气体流量计相连；
所述的数据采集系统包括数据采集仪，用于采集高压反应釜中各测点的压力、温度和电阻率、采集高压反应釜两端的活塞位移、采集高压反应釜进气口和排气口的差压、采集排气管路中的气体流量、采集气体缓冲罐的温度和压力。


2.根据权利要求1所述的一种水合物法海底封存二氧化碳的实验装置，其特征在于：所述的安装在反应釜筒体侧壁的压力传感器通过高压管路与高压反应釜的内腔体连通，所述的气体缓冲罐的出口通过管道与高压管路连通，构成吹扫管路。


3.根据权利要求1所述的一种水合物法...

【专利技术属性】
技术研发人员：周雪冰，梁德青，姚远欣，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：发明
国别省市：广东;44