新能源可燃冰的开采.docx

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新能源可燃冰的开采

2011全国大学生数学建模竞赛模拟

承诺书

我们仔细阅读了中国大学生数学建模竞赛的竞赛规则.

我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。

我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛规则的,如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。

我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。

如有违反竞赛规则的行为，我们将受到严肃处理。

我们参赛选择的题号是（从A/B/C/D中选择一项填写）：

A

我们的参赛报名号为（如果赛区设置报名号的话）：

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1.

2.

3.

指导教师或指导教师组负责人（打印并签名）：

日期：

2011年9月3日

赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：

2011全国大学生数学建模竞赛模拟

编号专用页

赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：

赛区评阅记录（可供赛区评阅时使用）：

评

阅

人

评

分

备

注

全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：

全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）：

新能源“可燃冰”的开采

摘要

本文解决的是新能源“可燃冰”的开采方案设计问题，具有广阔的应用前景。

天然气水合物“可燃冰”开采将成为常规油气开采的接替能源。

可燃冰的开采是及其困难的，稍有不慎即会造成环境污染以及温室效应。

问题一：

目前“可燃冰”的开采方法[1]有热激发开采法、减压开采法、化学试剂注入开采法以及co2置换开采法和固体开采法。

本文采用减压开采法，即通过减小液体与水合物的接触面压力，促使水合物处在相平衡稳定区域以外，从而分解[2]。

通过建立相关的数学模型对此方案作出评价。

得出结论：

减压法不需要连续激发，成本较低，适合大面积开采，尤其使用与存在下伏游离气层的天然气水合物藏的开采；但是，只有当天然气水合物藏位于温压平衡边界附近，减压开采法才有经济可行性。

问题二：

对日本清水建设公司“可燃冰”开采方案的评价。

本文采用多目标指令分析法进行综合评判。

即以气体的回收率大小、产生的经济效益高低、环境污染程度、收集水合物时搅拌的充分性以及对水减压使气体分离的完全性为指标进行评价。

根据模型评价得出结论：

此方案在搅拌100分钟后，CH4、CH3CH3等碳氢气体占可回收气体的90%，能够长生较大的经济效益。

但是，一方面，此方案忽略了环境污染问题。

采集装置伸入湖底吸收水合物的同时与底层表面产生摩擦，从而生热使得CH4从水合物中脱离出来定会导致环境污染；另一方面，此方案忽略了搅拌的充分性以及减压使气体分离的完全性。

问题三：

针对我国目前对可燃冰开采已有方案的情况，本文采用地面减压分解法。

即是对地面分解法开采方案[2]以及日本清水建设公司可燃冰开采方案技术设备进行的整合改装（见模型的建立（图5.3）：

我国可燃冰开采方案设计图）。

关键词：

可燃冰；开采方案；减压开采法；多目标指令分析；地面减压分解法

一问题重述

上世纪60-90年代，科学家在南极冻土带和海底发现一种可以燃烧的“冰”，俗称可燃冰。

其最初来源于海底下的细菌。

海底很多动植物的残骸腐烂时产生细菌，细菌排出甲烷，当正好具备高压和低温的条件时，细菌产生的甲烷气体就被锁进水合物中。

由于可燃冰需要同时具备高压和低温的环境才能保持稳定的状态，所以它们大多分布在深海底和沿海的冻土区域。

可燃冰被能源科学家看作最环保的化石气体，经过燃烧后仅会生成少量的二氧化碳和水，且释放的能量巨大，是普通天然气的2—5倍。

但，如果开采不当，却会加剧温室效应。

在开采中，一方面，一旦失去高压和低温的环境，甲烷就会迅速地从包含物中脱离出来，释放到大气中，造成全球气候变暖。

甲烷的影响远远大于二氧化碳；另一方面，若集中地大量地开采可燃冰，可能会造成大陆架动荡甚至海床塌方。

这和泥石流是一样的道理，泥土里的水在冬天凝结成冰，春天到来时，如果冰融化的速度超过了水蒸发的速度，土地就会崩塌。

可燃冰虽一度被看作替代石油的最佳能源，但却由于开采困难，迄今为止，还没有一项技术能使可燃冰大规模的从海底转移到陆地上，将其保存。

但世界许多国家均已研究了许多可燃冰的开采方案。

就以上情况，本文研究解决一下问题：

问题1：

试从网络或者其他途径获取可燃冰的开采方案，并评价。

问题2：

日本清水建设公司2009年3月6日开采成功，试分析评价其技术的优劣。

（具体技术过程见附录7.1：

日本清水建设公司“可燃冰”开采实验技术过程）

问题3：

目前中国开采技术处于开发阶段，试构思一种可靠的开采方案，并评价。

二问题分析

2.1问题一的分析

天然气水合物的开采方法有热激发开采法、减压开采法、化学试剂注入开采法以及co2置换开采法和固体开采法。

热激发开采法不能很好解决热利用效率较好的问题，只能进行局部加热；化学试剂注入开采法所需的化学试剂费用昂贵，对天然气水合物的作用缓慢，易引起一系列环境问题。

而减压开采法是通过降低压力促使天然气水合物的分解。

可采用低密度泥浆钻井达到减压目的，不需要连续激发，成本较低，适合大面积开采。

尤其使用与存在下伏游离气层的天然气水合物藏的开采。

因此本文选用减压开采法，再对减压开采方案进行评价。

评判此方案的优劣，应从气体的收集效率、设备投入成本、环境污染等方面入手。

2.2问题二的分析

日本清水建设公司对可燃冰的开采方案是利用钢制Chamber装置进行开采。

Chamber装置采取开口设计，内部配各水流喷嘴，让湖水流入装置内部，再利用水流喷嘴挖掘、搅拌湖底表层的MH层，使MH溶于水，利用水泵将溶解水输送至湖面，在此过程中通过减压使气体与水分离，最后收集气体。

大体的收集流程为：

要对日本清水建设公司对可燃冰的开采方案进行评价，评价其方案的可行性与优劣，就要在其产生的经济效益、气体的收集率、设备的投入成本以及环境的污染方面进行综合评判。

2.3问题三的分析

目前我国对可燃冰的开采技术处于开发阶段，要找出一套合理可靠的开采方案，那么就应在其他可行性较高的方案的基础上进行设备的改进。

因此本文在日本清水建设公司对可燃冰的开采方案以及地面分解法开采方案的基础上，对其技术设备进行整合改装实现一套可靠地合理的开采方案。

三模型假设

1、假设分解容器装置的体积

恒定。

2、假设水合物颗粒不能暴露在水合物湿度压力相平衡之外。

3、假设当温压达到临界线时水合物将开始进行分解。

四符号定义与说明

1、

表示天然水合物的化学式。

2、

表示所要收集的天然气体的化学式。

3、

表示水的化学式。

4、

表示化学反应方程式的参数。

5、

表示压强。

6、

表示体积。

7、

表示常数8.314。

8、

表示温度。

9、

表示物质的量。

10、

表示水合物分解临界状态时的相应压强。

11、

表示水合物分解临界状态时的相应温度。

五模型的建立与求解

5.1问题一的模型建立与求解

5.1.1模型的建立

假设天然水合物的化学式为

，其中

表示所要收集的天然气体的化学式，则通过减压建立数学模型如下：

天然水合物分解的化学方程式：

（5.1）

而在定容器中压强与温度的关系为：

（5.2）其中

表示压强；

表示容器的体积（

恒定）；

表示常数8.314；

表示温度；

表示物质的量。

压强

与温度

的关系图如下：

在减压过程中天然气水合物的变化情况如下图所示：

5.1.2模型的求解与评价分析

由（5.1）式可知，当减小压强时，化学反应则向右边进行，反之则向左边进行；由（5.2）式以及（图5.1）可知压强P与温度T成正比关系；又由（图5.2）知当温度为0℃、压强为30MPa时，天然水合物处于稳定状态，在输送过程中对其减压达到一定的临界值

之时，气体发生分离。

减小压强，温度也随之降低，从而温度也会对水合物的分解产生影响。

因此，不是压强越小对水合物的分离就越有利，而是在减压的同时也要对温度有相应的控制。

此方案的优点在于不需要连续激发，成本较低，适合大面积开采，尤其适用于存在下游高气层的天然水合物的开采，是天然气水合物传统开采方法中最有应用前景的一种方案技术。

但是，只有当天然气水合物藏位于高压平衡边界附近，减压开采法才具有很大的经济效益且减压开采法的开采效率不高。

5.2问题二方案的评价分析

日本清水建设公司对天然气水合物“水合物”的开采流程为：

具体的操作过程为：

首先在湖底设置了内部配备32个水射流喷嘴（WaterJetNozzle）（水平喷嘴和垂直喷嘴各16个）的钢制Chamber装置。

Chamber装置的底部采用开口设计，使海水进入其内部。

其次，利用水射流喷嘴挖掘、搅拌海底表层的MH层，使MH溶于水，利用水泵向湖面输送这些溶解水。

然后，在该过程中通过减少水压，使气体与水分离。

最后在湖面上回收这些分离后的气体。

此方案甲烷及乙烷等碳氢气体的回收率达到90％，且无需改变MH的温度及压力便可分解和回收气体，MH的分解仅在湖底设置的Chamber内发生，在外面不会生成甲烷，从而不会引起环境污染。

但是，一方面，此方案忽略了环境污染问题。

采集装置伸入湖底吸收水合物的同时与底层表面产生摩擦，从而生热使得CH4从水合物中脱离出来定会导致环境污染；另一方面，此方案忽略了搅拌的充分性以及减压使气体分离的完全性。

5.3问题三的模型建立与求解

5.3.1模型的建立

结合地面分解法开采方案[2]以及日本清水建设公司可燃冰开采方案技术设备进行的整合改装对可燃冰的开采技术设计图：

各设备的作用介绍如下：

（1）、水泵：

根据海底采矿装置（Chamber装置）的开采量，一方面定时往大体积容器中输送一定量的海水（温度在20℃左右）；另一方面，在海水的冲刷作用下，将天然气水合物分解后剩下的沙石冲到大容器的底部，并从底部的管道将沙石排入海底。

（2）、单向阀：

防止由于分解器及大体积容器中的压力过大，出现气体倒流而引起事故。

（3）、分解器：

分解器为双层器，将采矿船上发动机的尾气从容器上部输入到容器中间夹层，加热容器，变冷的尾气从下部排出。

同时利用海水加热容器中天然气水合物溶解水、沙石，以加速其分解，且分解后产生的水葱下部排入海中。

（4）、压力表：

根据压力大小控制采矿车的开采量。

（5）、放喷阀：

若压力过大，在发生失控之前，通过放喷阀释放气体并点火。

（6）、大体积容器：

储存分解的气体、沙石、水，并将气体通过管道输送至用户端，同时将分解后的沙石和水排到海底。

（7）、除气器：

将含在沙石和水中的天然气充分分离，避免环境污染。

（8）、压缩机：

将分解的气体压缩到高压容器。

（9）、矿浆泵：

将溶解水输送至分解器。

（10）、Chamber装置：

内装水射流喷嘴。

利用其挖掘、搅拌海底表层的MH层，使其溶于水。

5.3.2模型的评价分析

1、此设备相对于地面分解开采法而言减少了天然气水合物开采投入资金。

地面分解开采法的海底采集系统包括带浮体材料的软管、研磨机、矿浆泵、矿石中转仓、自制采矿车，而此设备的采集系统只需矿浆泵及Chamber装置。

因此此系统降低了设备的投入资金。

2、此设备在除气器处一方面对分解器处理后的水进行二次处理，防止了气体对大气的污染且对溶解水进行完全性的分解；另一方面对大体积容器中所剩的沙石也进行二次除气处理，对气体进行回收，避免气体对环境的污染以及气体的浪费。

3、技术设备待改进之处：

Chamber装置未能对海底深层可燃冰全面性的开采；从除气器中排出的沙石可能会对海水照成一定的影响。

六参考文献

[1]

[2]窦斌、蒋国盛、吴翔、张凌、宁伏龙.地面分解法开采海底天然气水合物[J].2008、（7）

七附录

7.1日本清水建设公司“可燃冰”开采实验技术过程

此次的实验在贝加尔湖南湖盆水深约400m的湖底，将MH与水在名为Chamber的反应容器内搅拌。

将溶解后的MH像水一样运输到湖面，然后分解、回收气体（图1）。

具体过程为，首先在湖底设置了内部配备32个水射流喷嘴（WaterJetNozzle）（水平喷嘴和垂直喷嘴各16个）的钢制Chamber（图2）。

Chamber的底部采用开口设计，这样湖水便会进入其内部。

其次，利用水射流喷嘴挖掘、搅拌湖底表层的MH层，使MH溶于水，利用泵向湖面输送这些溶解水。

然后，在该过程中通过减少水压，使气体与水分离。

最后在湖面上回收这些分离后的气体。

搅拌约100分钟后，可回收气体的90％为甲烷及乙烷等碳氢气体。

其结构及性质与MH分解气体大体相同。

实验工作原理如图3。

图1喷水的钢桶　　　　　　　　图2钢桶（CHAMBER）

　　　　　　图3实验工作原理图