天然氣水合物釋放氣體的連續(xù)高壓氧化實(shí)驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于石油天然氣、生態(tài)環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于模擬海底環(huán)境中天然氣水合物釋放氣體的連續(xù)高壓氧化實(shí)驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣水合物作為21世紀(jì)的重要能源已受到廣泛認(rèn)可和高度關(guān)注。與此同時(shí)，作為溫室氣體甲烷的最大載體，天然氣水合物又是一個(gè)潛在的氣候致變因子，其分解釋放氣體可能引發(fā)一系列的負(fù)面環(huán)境效應(yīng)，如溫室效應(yīng)的加劇、海洋生態(tài)環(huán)境的變化以及海底滑塌事件等。海底天然氣水合物發(fā)生分解時(shí)，其釋放氣體可在上覆沉積物、海水層中發(fā)生強(qiáng)烈的好氧、厭氧氧化作用，削弱了向上運(yùn)移進(jìn)入海水、大氣層中的通量。因此，研究天然氣水合物分解釋放氣體在上覆沉積物、海水層中的氧化特性，對準(zhǔn)確評估其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)具有重要的理論和實(shí)際意義。
[0003]海底天然氣水合物發(fā)生分解后，其釋放的烴類氣體在沉積物層中擴(kuò)散、運(yùn)移時(shí)，如果遇到合適的溫壓條件可以二次生成天然氣水合物;不能二次生成水合物的氣體，將繼續(xù)向上滲逸，在缺氧沉積環(huán)境中將與硫酸鹽發(fā)生厭氧氧化反應(yīng)，或在有氧沉積環(huán)境中發(fā)生好氧氧化反應(yīng)，進(jìn)一步被消耗。研究發(fā)現(xiàn)，海洋環(huán)境中這些厭氧/好氧氧化作用的發(fā)生，90%以上的海底滲漏游離烴類氣體可在沉積物層中被氧化而消耗掉，降低了繼續(xù)向上運(yùn)移進(jìn)入海水和大氣層中的通量。由此可見，定量研究天然氣水合物分解釋放氣體在海底沉積物中的氧化過程，有助于更好地認(rèn)識水合物的異常分解對全球氣候、海洋生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響。
[0004]目前，國內(nèi)外對海底沉積物中烴類氣體厭氧/好氧氧化作用的實(shí)驗(yàn)研究多以靜態(tài)氧化過程為主，研究對象為單一或混合輕烴氣體，尚未見將天然氣水合物的動態(tài)分解過程與釋放氣體的連續(xù)高壓氧化過程聯(lián)系起來進(jìn)行協(xié)同研究。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]為彌補(bǔ)上述領(lǐng)域研究的不足，鑒于天然氣水合物樣品中不同客體分子的差異化分解以及釋放后在海底沉積物、海水層中的連續(xù)動態(tài)氧化作用有別于單一或整體混合輕烴氣體的靜態(tài)氧化過程，本實(shí)用新型提供一種用于模擬海底環(huán)境中天然氣水合物釋放氣體的連續(xù)高壓氧化實(shí)驗(yàn)裝置，可實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)條件下天然氣水合物分解釋放氣體在海底沉積物或海水中的厭氧/好氧氧化作用。
[0006]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0007]—種天然氣水合物釋放氣體的連續(xù)高壓氧化實(shí)驗(yàn)裝置，其主要包括生成-分解單元、氣體連續(xù)高壓氧化單元和數(shù)據(jù)采集處理單元，且生成-分解單元與氣體連續(xù)高壓氧化單元之間通過氣體質(zhì)量流量計(jì)和精密調(diào)壓閥連接;其中，
[0008](一)生成-分解單元:包括置于低溫恒溫箱內(nèi)的高壓反應(yīng)釜，釜體外部配有水浴夾套，釜體底部設(shè)有磁力攪拌器；
[0009](二)氣體連續(xù)高壓氧化單元:包括固體系統(tǒng)(沉積物柱層)、液體系統(tǒng)(海水層)、恒溫水浴箱和抽真空系統(tǒng)，所述固體系統(tǒng)包括多根反應(yīng)筒，前一根反應(yīng)筒頂部與后一根反應(yīng)筒的底部連接，所述液體系統(tǒng)包括依次連接的儲液罐、攪拌罐、平流栗和反應(yīng)罐，所述恒溫水浴箱用于控制反應(yīng)筒和反應(yīng)罐內(nèi)溫度，所述抽真空系統(tǒng)與反應(yīng)筒、攪拌罐和反應(yīng)罐相連；其中，采用三通連接精密調(diào)壓閥、第一根反應(yīng)筒底部和攪拌罐頂部，且管路上設(shè)置有多個(gè)閥門；
[0010](三)數(shù)據(jù)采集處理單元:通過光纖成像系統(tǒng)、計(jì)量控制系統(tǒng)、氣相色譜(GC-TCD/FID)與同位素比值質(zhì)譜(IRMS)分析系統(tǒng)和溫壓實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)微處理器連接進(jìn)行同步監(jiān)測。
[0011]所述生成-分解單元中的高壓反應(yīng)釜整體為快開結(jié)構(gòu)，工作溫度范圍-50?50°C，最高耐壓20MPa。
[0012]所述反應(yīng)筒包括固定底座、水浴夾套、2個(gè)溫度傳感器和I個(gè)精密壓力傳感器，其頂端設(shè)有I個(gè)氣體采樣端口，中部不同層位處設(shè)有4個(gè)取樣口，底端內(nèi)置微孔燒結(jié)板。
[0013]所述儲液罐配有可視窗。
[0014]所述攪拌罐底部設(shè)有磁力攪拌器，配有可視窗、I個(gè)溫度傳感器和I個(gè)精密壓力傳感器。
[0015]所述反應(yīng)罐底部設(shè)有磁力攪拌器，配有可視窗、水浴夾套、I個(gè)溫度傳感器、I個(gè)精密壓力傳感器、I個(gè)背壓閥和氣體、液體采集端口。
[0016]—種采用所述裝置的天然氣水合物釋放氣體的連續(xù)高壓氧化實(shí)驗(yàn)方法，其包括下述實(shí)施步驟:
[0017]I)根據(jù)海底沉積物層、海水層和沉積物-海水復(fù)合層三種不同的氧化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑{(diào)節(jié)閥門選擇連接方式:當(dāng)為海底沉積物層氧化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綍r(shí)，調(diào)節(jié)閥門使氣體僅流向固體系統(tǒng)，且多根反應(yīng)筒采用串聯(lián)或并聯(lián)連接;當(dāng)為海水層氧化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綍r(shí)，調(diào)節(jié)閥門使氣體僅流向液體系統(tǒng)中的攪拌罐；當(dāng)為沉積物-海水復(fù)合層氧化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綍r(shí)，調(diào)節(jié)閥門使氣體依次流經(jīng)攪拌罐、平流栗、多根反應(yīng)筒和反應(yīng)罐；
[0018]2)先檢查所有管線、電路連接是否正常，再開啟數(shù)據(jù)采集處理單元進(jìn)入實(shí)驗(yàn)軟件；
[0019]3)將儲液罐中注入微生物培養(yǎng)液(也可包含海水等實(shí)驗(yàn)液體試劑)并與所需氣體鋼瓶相連接，然后向反應(yīng)筒中注入實(shí)驗(yàn)沉積物和/或向反應(yīng)罐中注入海水；
[0020]4)利用抽真空系統(tǒng)對整個(gè)實(shí)驗(yàn)容器及管路抽真空；
[0021]5)調(diào)節(jié)恒溫水浴箱的溫度至實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)溫度，以滿足水合物分解釋放氣體的氧化溫度；
[0022]6)在生成-分解單元內(nèi)，按照實(shí)驗(yàn)需要合成天然氣水合物，待水合物生成并平衡一定時(shí)間后，迅速降低溫度，并抽真空除去釜內(nèi)游離氣體，然后采用控溫或控壓的方法使合成好的水合物樣品按照一定的速率進(jìn)行分解；
[0023]7)將分解氣體通過氣體質(zhì)量流量計(jì)和精密調(diào)壓閥控制，按照一定的流速輸入氣體連續(xù)高壓氧化單元，定期采集樣品進(jìn)行檢測。
[0024]當(dāng)進(jìn)行好氧氧化作用時(shí)，所需氣體為氧氣和/或氮?dú)?；?dāng)進(jìn)行厭氧氧化作用時(shí)，所需氣體為氮?dú)夂?或二氧化碳。
[0025]其中，所述生成-分解單元能實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的快速生成與分解功能。所述液體系統(tǒng)可模擬水合物分解氣體在海水層中的好氧/厭氧氧化反應(yīng)過程；固體系統(tǒng)可模擬水合物分解氣體在沉積物柱層中的好氧/厭氧氧化反應(yīng)過程。所述數(shù)據(jù)采集處理單元的核心技術(shù)在于引進(jìn)了氣相色譜(GC-TCD/FID)與同位素比值質(zhì)譜(IRMS)分析技術(shù)、精密光纖成像技術(shù)以及各種溫壓實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)，在水合物生成-分解-氧化過程中可同時(shí)多功能地對實(shí)驗(yàn)溫度、壓力、水合物形態(tài)、氣體含量及碳?xì)溲跬凰刂档葘?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。
[0026]本實(shí)用新型的創(chuàng)新點(diǎn)如下:
[0027](I)本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一套專門適用且不局限適用于海底環(huán)境下天然氣水合物分解釋放氣體連續(xù)高壓氧化的實(shí)驗(yàn)裝置，其儀器結(jié)構(gòu)簡單、易操作，可模擬單一海底沉積物層、單一海水層、或沉積物與海水復(fù)合層中水合物分解釋放氣體的連續(xù)動態(tài)高壓氧化過程，包括厭氧氧化作用和好氧氧化作用。
[0028](2)本實(shí)用新型開發(fā)了一套海洋環(huán)境中天然氣水合物分解釋放氣體連續(xù)高壓氧化的實(shí)驗(yàn)方法，彌補(bǔ)了該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)技術(shù)空白，利用該方法可有效模擬海底環(huán)境下天然氣水合物分解釋放氣體的連續(xù)高壓氧化過程，研究天然氣水合物分解過程中其釋放氣體(如CH4、C2H6、C3H8等)在上覆沉積物、海水層中的好氧/厭氧氧化特性，為水合物分解釋放氣體在海洋環(huán)境中的迀移、轉(zhuǎn)化、碳循環(huán)等研究提供理論支持。
【附圖說明】
[0029]圖1為本實(shí)用新型的水合物生成-分解-連續(xù)高壓氧化模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
[0030]圖中各附圖標(biāo)記為:1:生成-分解單元，2:反應(yīng)筒，3:恒溫水浴箱，4:精密壓力傳感器，5:溫度傳感器，6:氣體質(zhì)量流量計(jì)，7:精密調(diào)壓閥，8-1:閥門I，8-2:閥門Π，8_3:閥門ΙΠ，8-4:閥門 IV，8-5:閥門 V，8-6:閥門 VI，8-7:閥門 VH，8-8:閥門 VDI，8-9:閥門 IX，8-10:閥門X，9:氣體鋼瓶，10:儲液罐，11:攪拌罐，12:磁力攪拌器，13:平流栗，14:反應(yīng)罐，15:抽真空系統(tǒng)，16:數(shù)據(jù)采集處理單元。
【具體實(shí)施方式】
[0031]以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步解釋:
[0032]—種天然氣水合物釋放氣體的連續(xù)高壓氧化實(shí)驗(yàn)裝置，其主要包括生成-分解單元1、氣體連續(xù)高壓氧化單元和數(shù)據(jù)采集處理單元16，且生成-分解單元I與氣體連續(xù)高壓氧化單元之間通過氣體質(zhì)量流量計(jì)6和精密調(diào)壓閥7連接;其中，
[0033](—)生成-分解單元1:包括置于低溫恒溫箱內(nèi)的高壓反應(yīng)釜，釜體外部配有水浴夾套，釜體底部設(shè)有磁力攪拌器12;
[0034](二)氣體連續(xù)高壓氧化單元:包括固體系統(tǒng)、液體系統(tǒng)、恒溫水浴箱3和抽真空系統(tǒng)15，所述固體系統(tǒng)包括多根反應(yīng)筒2，前一根反應(yīng)筒2頂部與后一根反應(yīng)筒2的底部連接，所述液體系統(tǒng)包括依次連接的儲液罐10、攪拌罐11、平流栗13和反應(yīng)罐14，所述恒溫水浴箱3用于控