天然气水合物自动微波搅拌加热分解装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种加热分解装置及其使用方法，特别是关于一种天然气水合物自动微波搅拌加热分解装置及其使用方法，属于水合物开采领域。
背景技术
全球蕴藏的常规石油天然气资源消耗巨大，很快就会枯竭，且对环境产生严重影响，商业开发新型的清洁能源的需求迫在眉睫。可燃冰燃烧产生的能量比煤、石油、天然气要多出数十倍，且燃烧后不产生任何残渣，避免最让人们头疼的污染问题，科学家们如获至宝，将可燃冰称作“属于未来的能源”。全球天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两倍，具有广阔的开发前景，美国、日本等国均已经在各自海域发现并开采出天然气水合物，据测算，中国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量，约相当中国陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。
现有的天然气水合物开采可燃冰的方法包括热激发开采法、降压开采法、化学试剂注入开采法、二氧化碳置换法和固态流化开采法。将开采出的海底天然气水合物运输到海平面时，由于水合物浆体的固相体积百分数大，增大水合物管输的阻力，降低生产效率，且浆体黏度大易黏附在管壁上造成清管困难甚至有可能堵塞管道，能源利用率低。然而，现有技术中并没有能够解决上述水合物管输阻力问题的装置或方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能源利用率高且能够解决水合物管输阻力问题的天然气水合物自动微波搅拌加热分解装置及其使用方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：天然气水合物自动微波搅拌加热分解装置，包括金属外壳、微波搅拌加热腔、微波发射器、搅拌装置、气液固三相分离器、流化床干燥器、储气罐和控制器；所述金属外壳内固定设置所述微波搅拌加热腔和微波发射器，所述微波发射器用于向所述微波搅拌加热腔发射微波，所述微波搅拌加热腔内设置有所述搅拌装置；所述微波搅拌加热腔的进口依次经第一电磁开关、流量感应器和第一离心泵连接天然气水合物输送装置，所述流量感应器用于实时感应进入所述微波搅拌加热腔内天然气水合物的流量；所述微波搅拌加热腔的出口依次经温度感应器和第二电磁开关连接所述气液固三相分离器的进口，所述温度感应器用于实时感应离开所述微波搅拌加热腔的天然气水合物的温度；所述气液固三相分离器的底部出口通过所述流化床干燥器分别连接尼龙收集筒和岩屑收集筒，所述气液固三相分离器的顶部出口通过第二离心泵连接所述储气罐；所述控制器分别电连接所述微波发射器、搅拌装置、第一电磁开关、第二电磁开关、流量感应器和温度感应器。
进一步地，所述微波搅拌加热腔的外壳由外向内依次为透波隔热层、吸波发热层和反波传热金属层。
进一步地，所述透波隔热层采用陶瓷纤维棉。
进一步地，所述吸波发热层采用等离子喷涂方法将微波吸收材料粉体固定在金属表面。
进一步地，所述反波传热金属层采用铝、铝合金或不锈钢。
进一步地，所述搅拌装置包括旋转轴筒、搅拌棒、减速器和旋转电机；所述金属外壳和微波搅拌加热腔的顶部均开设有用于所述旋转轴筒插设的通孔，所述旋转轴筒纵向设置在所述微波搅拌加热腔内，所述旋转轴筒上横向均匀设置有若干所述搅拌棒，所述旋转轴筒的一端穿出所述通孔通过所述减速器固定连接所述旋转电机的输出端；所述旋转电机还电连接所述控制器。
进一步地，所述控制器内设置有开关控制模块、搅拌控制模块和微波控制模块；所述开关控制模块用于根据所述流量感应器实时感应的流量和预先设定的流量阈值，控制所述第一电磁开关的开启或关闭，以及根据所述温度感应器实时感应的温度和预先设定的温度阈值，控制所述第二电磁开关开启或关闭；所述搅拌控制模块用于控制所述旋转电机的功率以及所述旋转电机的开启或关闭；所述微波控制模块用于控制所述微波发射器的输出功率以及所述微波发射器的开启或关闭。
进一步地，所述流化床干燥器采用振动流化床干燥器。
一种天然气水合物自动微波搅拌加热分解装置的使用方法，包括以下内容：1)启动第一离心泵，控制器控制第一电磁开关打开以及微波发射器和搅拌装置开启，天然气水合物在第一离心泵的作用下经流量感应器进入微波搅拌加热腔，流量感应器实时感应进入微波搅拌加热腔内天然气水合物的流量；2)微波发射器产生微波经波导分散，穿过微波搅拌加热腔的透波隔热层并被吸波发热层吸收，吸收微波后的吸波发热层迅速发热，将热量迅速传递至反波传热金属层，向外的热传递则被透波隔热层阻断；3)搅拌装置对微波搅拌加热腔内的天然气水合物进行搅拌，使反波传热金属层上的热能快速均匀传递至微波搅拌加热腔内的天然气水合物；4)流量感应器实时感应进入微波搅拌加热腔内天然气水合物的流量，当天然气水合物的流量达到预先设定的流量阈值时，控制器控制第一电磁开关关闭；5)温度感应器实时感应离开微波搅拌加热腔的天然气水合物的温度，当天然气水合物的温度高于预先设定的温度阈值时，控制器控制微波发射器和旋转电机关闭以及第二电磁开关打开，天然气水合物进入气液固三相分离器；6)气液固三相分离器对天然气水合物进行气液固三相分离，分离出的液相和固相进入流化床干燥器进行干燥后得到尼龙和岩屑，分别进入尼龙收集筒和岩屑收集筒；7)分离出的气相在第二离心泵的作用下进入储气罐。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明由于设置有控制器，能够控制微波加热器加热与搅拌装置的机械搅拌同时进行，可以有效地将刚钻出的天然气水合物混合物进行加热，释放出甲烷气体，在海底直接进行泥沙回注，提高能源利用率与开采效率。
2、与传统的发热元件相比，本发明采用微波加热器作为发热元件，其有效发热面积可大可小，且容易制造调整，可以根据不同的使用条件，选择不同的发热面积，从而极大的提高加热效率，节约能源，同时，由于微波加热器属于非接触性加热，使用寿命很高，且不存在传统发热元件容易发生的熔断和折断等失效问题，安全性好。
3、本发明由于将微波搅拌加热腔设置在金属外壳内，可以反射微波发射器发出的微波，防止微波泄露，且由于在输入口管道和输出口管道均设置有离心泵，能够解决水合物管输阻力问题。
4、本发明中微波搅拌加热腔的外壳由于采用由外向内依次设置的透波隔热层、吸波发热层和反波传热金属层，吸波发热层能够吸收微波发射器发射的微波并迅速发热，反波传热金属层能够吸收吸波发热层向内的热传递，并快速均匀的传递至微波搅拌加热腔内的天然气水合物，实现电能→微波能→热能→热传递的能量转换与传递过程，而透波隔热层能够阻断透波隔热层向外的热传递。
5、本发明结构简单、牢固耐用、制造成本低、安全可控、热效率高且方便安装容易维护，可以实现海底浅层天然气水合物的连续加热分解，可以广泛应用于水合物开采技术领域中。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明装置中微波搅拌加热腔的横截面剖面示意图；
图3是本发明装置中微波发射器的输出功率与水合物分解时间的关系示意图；
图4是本发明装置中旋转电机功率与水合物分解时间的关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本发明提供的天然气水合物自动微波搅拌加热分解装置包括矩形金属外壳1、微波搅拌加热腔2、微波发射器3、搅拌装置4、输入口管道5、输出口管道6、第一电磁开关7、第二电磁开关8、流量感应器9、第一离心泵10、第二离心泵11、温度感应器12、气液固三相分离器13、流化床干燥器14、尼龙收集筒15、岩屑收集筒16、储气罐17和控制器18。
矩形金属外壳1内固定设置微波搅拌加热腔2和微波发射器3，微波发射器3用于向微波搅拌加热腔2发射微波，微波搅拌加热腔2内设置有搅拌装置4，搅拌装置4用于对微波搅拌加热腔2内的天然气水合物进行搅拌，使热能快速均匀传递至天然气水合物，实现快速加热。
微波搅拌加热腔2的一侧上部开设有进口，进口连接输入口管道5的一端，输入口管道5的另一端穿出矩形金属外壳1依次经第一电磁开关7、流量感应器9和第一离心泵10连接天然气水合物输送装置，流量感应器9用于实时感应进入微波搅拌加热腔2内天然气水合物的流量，第一离心泵10用于将天然气水合物输送至微波搅拌加热腔2。微波搅拌加热腔2的另一侧开设有出口，出口连接输出口管道6的一端，输出口管道6的另一端穿出矩形金属外壳1依次经温度感应器12和第二电磁开关8连接气液固三相分离器13的进口，温度感应器12用于实时感应离开微波搅拌加热腔2的天然气水合物的温度，气液固三相分离器13用于对离开微波搅拌加热腔2的天然气水合物进行气液固三相分离。气液固三相分离器13的底部出口通过流化床干燥器14分别连接尼龙收集筒15和岩屑收集筒16，流化床干燥器14用于对分离出的在流化状态下的固体颗粒进行干燥和筛分得到尼龙和岩屑。气液固三相分离器13的顶部出口通过第二离心泵11连接储气罐17，第二离心泵11用于将气液固三相分离后的天然气输送至储气罐17。
控制器18分别电连接微波发射器3、搅拌装置4、第一电磁开关7、第二电磁开关8、流量感应器9和温度感应器12。
在一个优选的实施例中，如图2所示，微波搅拌加热腔2的外壳由外向内依次为透波隔热层2-1、吸波发热层2-2和反波传热金属层2-3，其中，透波隔热层2-1可以采用允许微波顺利通过的陶瓷纤维棉，例如硅酸铝纤维、石英纤维或高铝硅酸纤维等；吸波发热层2-2可以采用等离子喷涂方法将C粉、SiC粉或CuO粉等微波吸收材料粉体固定在金属表面；反波传热金属层2-3可以采用导热性好的铝、铝合金或不锈钢。
在一个优选的实施例中，搅拌装置4包括旋转轴筒4-1、搅拌棒4-2、减速器4-3和旋转电机4-4。矩形金属外壳1和微波搅拌加热腔2的顶部均开设有用于旋转轴筒4-1插设的通孔，旋转轴筒4-1纵向设置在微波搅拌加热腔2内，旋转轴筒4-1上横向均匀设置有若干搅拌棒4-2，旋转轴筒4-1的一端穿出矩形金属外壳1和微波搅拌加热腔2顶部的通孔通过减速器4-3固定连接旋转电机4-4的输出端。旋转电机4-4还电连接控制器18。
在一个优选的实施例中，流化床干燥器14可以采用振动流化床干燥器。
在一个优选的实施例中，控制器18可以采用计算机，控制器18内设置有开关控制模块、搅拌控制模块和微波控制模块。开关控制模块用于根据流量感应器9实时感应的流量和预先设定的流量阈值，控制第一电磁开关7的开启或关闭，以及根据温度感应器12实时感应的温度和预先设定的温度阈值，控制第二电磁开关8开启或关闭。搅拌控制模块用于控制旋转电机4-4的功率以及旋转电机4-4的开启或关闭。微波控制模块用于控制微波发射器3的输出功率以及微波发射器3的开启或关闭。
下面通过具体实施例详细说明本发明天然气水合物自动微波搅拌加热分解装置的使用方法：
1)当需要对天然气水合物进行微波搅拌加热时，启动第一离心泵10，控制器18控制第一电磁开关7打开以及微波发射器3和旋转电机4-4开启，天然气水合物在第一离心泵10的作用下获得足够的动力，经流量感应器9进入微波搅拌加热腔2，流量感应器9实时感应进入微波搅拌加热腔2内天然气水合物的流量。
2)微波发射器3上的磁控管产生微波经波导分散，穿过微波搅拌加热腔2的透波隔热层2-1并被吸波发热层2-2吸收，吸收微波后的吸波发热层2-2迅速发热，将热量迅速传递至反波传热金属层2-3，向外的热传递则被透波隔热层2-1阻断。
3)旋转轴筒4-1在旋转电机4-4和减速器4-3的作用下开始转动，对微波搅拌加热腔2内的天然气水合物进行搅拌，使反波传热金属层2-3上的热能快速均匀传递至微波搅拌加热腔2内的天然气水合物，实现快速加热，本发明在微波搅拌加热过程中的能量转换与传递过程是电能→微波能→热能→热传递。
4)流量感应器9实时感应进入微波搅拌加热腔2内天然气水合物的流量，当天然气水合物的流量达到预先设定的流量阈值时，控制器18控制第一电磁开关7关闭。
5)温度感应器12实时感应离开微波搅拌加热腔2的天然气水合物的温度，当天然气水合物的温度高于预先设定的温度阈值时，控制器18控制微波发射器和旋转电机4-4关闭以及第二电磁开关8打开，天然气水合物进入气液固三相分离器13。
6)气液固三相分离器13对天然气水合物进行气液固三相分离，分离出的液相和固相进入流化床干燥器14进行干燥后得到尼龙和岩屑，分别进入尼龙收集筒15和岩屑收集筒16。
7)分离出的气相在第二离心泵11的作用下进入储气罐17。
如图3所示，控制器18控制微波发射器3的输出功率从400MHZ、800MHZ、1200MHZ、1600MHZ、2000MHZ依次增大，重复上述步骤，可以看出随着微波发射器输出功率的增大，天然气水合物分解所需的时间逐渐减小，且功率越大减小的速率越快。
如图4所示，控制器18控制旋转电机4-4的功率由1KW、2KW、3KW、4KW依次增大，重复上述步骤，可以看出随着旋转电机4-4功率的增大，天然气水合物分解所需的时间逐渐减小，且功率越大减小的速率越快。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
