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天然氣水合物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于天然氣水合物的生成過程檢測，可以為天然氣水合物生成的條件參數(shù)研究提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。測量參數(shù)包含溫度、壓力，光通量，操作方便，性能可靠應(yīng)用實(shí)例：“天然氣水合物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”已用于青島海洋地質(zhì)研究所和江蘇工學(xué)院。

針對(duì)海底天然氣水合物的實(shí)際生成條件，在國內(nèi)首次設(shè)計(jì)和制造了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低溫高壓天然氣水合物模擬合成與分解設(shè)備。該成套設(shè)備由高壓可視化釜體、制冷及浴槽溫控系統(tǒng)、磁力攪拌系統(tǒng)、參數(shù)控制臺(tái)及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模擬天然氣配氣系統(tǒng)、天然氣高壓增壓系統(tǒng)共 6個(gè)子系統(tǒng)組成。應(yīng)用結(jié)果表明，該設(shè)備安全可靠， 能成功地應(yīng)用于天然氣水合物模擬合成、分解和有關(guān)測試分析，其部分結(jié)構(gòu)和功能有所創(chuàng)新，達(dá)到國外相關(guān)部分類似產(chǎn)品的水平。測試內(nèi)容：① 新型壓力設(shè)備開發(fā)② 松軟地基上壓力管道沉降與熱變形安全評(píng)估③ 材料微結(jié)構(gòu)分析與動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測試④ 材料表面鍍層粘著力與耐磨強(qiáng)度的劃痕測試

1 背景 天然氣水合物是繼頁巖氣、致密氣、煤層氣等之后潛力巨大的接替能源，可分為成巖型和非成巖型兩類，其中非成巖型占76.5%以上。國內(nèi)外天然氣水合物開采技術(shù)研究和試采工程以降壓法為主，但如果采用降壓法開采海洋非成巖天然氣水合物，水合物將無序分解且不可控，進(jìn)而面臨環(huán)境、裝備、生產(chǎn)、工程以及地質(zhì)等風(fēng)險(xiǎn)。為此，中國工程院周守為院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)世界首創(chuàng)提出海洋非成巖天然氣水合物固態(tài)流化開采技術(shù)，利用水合物采掘、碎化、海水引射流化、泥砂分離回填、漿體舉升、平臺(tái)深度分離再回填技術(shù)工藝，將非成巖不可控水合物藏轉(zhuǎn)變?yōu)槊荛]管道內(nèi)可控水合物藏，實(shí)現(xiàn)了“順其自然、變害為利、變不可控為可控”的安全綠色開采。進(jìn)而，團(tuán)隊(duì)針對(duì)海底淺表層水合物到中深層泥質(zhì)粉砂水合物再到深部地層成巖型水合物以及下覆游離氣的儲(chǔ)層系統(tǒng)，在世界上首次創(chuàng)新提出深海天然氣水合物固態(tài)流化～降壓法一體化開發(fā)技術(shù)。 2 深海天然氣水合物一體化開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 發(fā)明深海天然氣水合物一體化開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)方法及技術(shù)，研制成功全球首個(gè)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深海天然氣水合物一體化開發(fā)大型物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（壓力0～16MPa、溫度-10～60℃、可視化），實(shí)現(xiàn)了1500m水深固態(tài)流化～降壓法一體化開發(fā)全程模擬。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：水合物大樣品快速制備、破碎及漿體調(diào)制模塊，水合物漿體高效管輸與分離模塊，實(shí)時(shí)圖像捕捉、數(shù)據(jù)采集及安全控制自動(dòng)化模塊。 水合物大樣品快速制備、高效破碎、漿體調(diào)制“三位一體”實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)，20h內(nèi)可快速制備1062L水合物樣品； 水合物漿體保真運(yùn)移方法和技術(shù)； 水平段56m、垂直段30m分段組合、逐點(diǎn)加密、多次循環(huán)、多次降壓、多次升溫的水合物顆粒、泥砂、分解氣、配制海水復(fù)雜漿體管輸模擬實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)。 首次系統(tǒng)開展深海天然氣水合物固態(tài)流化～降壓法一體化開發(fā)實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新形成從淺表層水合物到中深層泥質(zhì)粉砂水合物再到深部地層成巖型水合物以及下覆游離氣的全鏈條、一體化開發(fā)理論。 2017年5月，全球首次海洋非成巖天然氣水合物固態(tài)流化試采在南海神狐海域成功實(shí)施。 3 應(yīng)用范圍 依托大型物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在全球首次系統(tǒng)開展深海天然氣水合物固態(tài)流化～降壓法一體化開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)，證明了固態(tài)流化～降壓法一體化開發(fā)技術(shù)原理科學(xué)可行、開采工藝可行，為指導(dǎo)海洋天然氣水合物和油氣一體化勘探開發(fā)、研制深海天然氣水合物高效開發(fā)系列裝備提供了理論依據(jù)和關(guān)鍵參數(shù)。 4 前景及經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益 通過攻關(guān)為深海泥質(zhì)粉砂天然氣水合物安全、高效開發(fā)提供方法與理論創(chuàng)新，為天然氣水合物固態(tài)流化～降壓法一體化高效開發(fā)評(píng)價(jià)提供重大實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，促進(jìn)淺表層、中深層天然氣水合物與下覆游離氣一體化開發(fā)系列重大裝備研制，推動(dòng)集成該方法、理論、技術(shù)、裝備成為我國引領(lǐng)世界天然氣水合物商業(yè)開采的前沿技術(shù)。

天然氣水合物存在于高壓、低溫的環(huán)境中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室可視化檢測需要配以耐高壓透明視窗，不但降低了壓力容器的耐壓范圍并且可視化效果也不理想。采用非光源性的可視化檢測技術(shù)——磁共振成像解決了這一難題。并且通過對(duì)天然氣水合物生成 / 分解過程圖像亮度的變化分析得到被測樣品中自由水的含量以及天然氣水合物飽和度。能夠?qū)Ρ粶y樣品中所包含的天然氣水合物資源量進(jìn)行評(píng)價(jià)。技術(shù)指標(biāo)如下，樣品管壓力 15MPa ；溫度控制范圍：常溫～ -15 ℃；樣品尺寸：φ 15mm ；圖像分辨率： 0.125mm /pixel 。

眾所周知，BSR是識(shí)別水合物的主要標(biāo)志。但世界各地鉆探結(jié)果表明，沒有BSR的地方也可能有水合物。BSR不是識(shí)別水合物的充分必要標(biāo)志。高速特征也是人們用來識(shí)別水合物的標(biāo)志。但很多非水合物的地質(zhì)因素也能夠使地層的速度增大。本專利成果提出了一種排他的識(shí)別水合物的有效方法。該方法能夠區(qū)分水合物和非水合物因素引起的高速特征。從而，大大提高水合物識(shí)別的可靠性。

火電廠煙氣脫硫技術(shù)目前國內(nèi)外約有上百種工藝，但是有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的僅十幾個(gè)工藝。“爐內(nèi)噴鈣尾部活化” (LIFAC) 技術(shù)是芬蘭在 20 世紀(jì) 80 年代發(fā)明的一項(xiàng)技術(shù)，其特點(diǎn)是初投資少，占地面積小，系統(tǒng)簡單，運(yùn)行費(fèi)用低，在較低的 Ca/S 比的條件下可達(dá)中等脫硫效率 (70-80%) ，比較適合于我國現(xiàn)役火電機(jī)組脫硫改造。“直噴超細(xì)水合 CaO 粉煙氣脫硫”技術(shù)是在 LIFAC 技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，它的特點(diǎn)是用鍋爐廢水在高壓下水合 CaO ，使之形成水合石灰［ Ca(OH)2 · CaO ］，并在特殊的霧化方式下使之形成 10 μ左右的超細(xì)水合石灰顆粒，直接將其噴入鍋爐爐膛進(jìn)行脫硫。該方法爐內(nèi)脫硫在 Ca/S ≈ 1.6 條件下，脫硫率達(dá)到了 78% 。預(yù)計(jì)在配水膜、布袋除塵后可以達(dá)到 85% 左右的脫硫率。可以去掉 LIFAC 的尾部活化和煙氣再熱系統(tǒng)。大大地降低了初投資。按目前價(jià)格計(jì)算投資成本約為 250 元 / 千瓦，不大于電站投資 5% ， Ca/S 比＜ 1.6 ，達(dá)到脫硫率 70-80% 。

漿水是一種中國西北傳統(tǒng)特色發(fā)酵食品，已有幾千年的悠久歷史。研究發(fā)現(xiàn)漿水不僅具有促進(jìn)胃蛋白的分泌、降低血清膽固醇、凈化胃腸作用，還能使腸道微生物保持微生態(tài)平衡，對(duì)肥胖、高血壓、糖尿病、消化系統(tǒng)癌癥的預(yù)防均具有良好地效果。 隨著國民健康意識(shí)的不斷增強(qiáng)，大眾對(duì)于健康產(chǎn)品的品質(zhì)與日俱增。益生菌因其對(duì)健康人群與亞健康人群均有的保健功能而受到了廣泛的關(guān)注。益生菌制劑與其他的藥物不同，它能起到―已病輔治、未病防治、無病保健‖的作用。漿水中含有大量益生菌，如乳酸菌及酵母菌等，這些

漿水是一種中國西北傳統(tǒng)特色發(fā)酵食品，已有幾千年的悠久歷史。 研究發(fā)現(xiàn)漿水不僅具有促進(jìn)胃蛋白的分泌、降低血清膽固醇、凈化胃 腸作用，還能使腸道微生物保持微生態(tài)平衡，對(duì)肥胖、高血壓、糖尿 病、消化系統(tǒng)癌癥的預(yù)防均具有良好地效果。  隨著國民健康意識(shí)的不斷增強(qiáng)，大眾對(duì)于健康產(chǎn)品的品質(zhì)與日俱 增。益生菌因其對(duì)健康人群與亞健康人群均有的保健功能而受到了廣 泛的關(guān)注。益生菌制劑與其他的藥物不同，它能起到“已病輔治、未 病防治、無病保健”的作用。漿水中含有大量益生菌，如乳酸菌

眾所周知，鹽放入水中會(huì)發(fā)生溶解，溶解的離子與水分子結(jié)合在一起形成的團(tuán)簇稱為水合離子或離子水合物。水合離子的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)一直是學(xué)術(shù)界爭論的焦點(diǎn)。早在19世紀(jì)末，人們就意識(shí)到離子水合作用的存在并開始了系統(tǒng)的研究，最早的實(shí)驗(yàn)研究可以追溯到1900年德國著名物理化學(xué)家Walther Nernst的遷移實(shí)驗(yàn)（Transference experiments）。雖然經(jīng)過了一百多年的努力，離子的水合殼層數(shù)、各個(gè)水合層中水分子的數(shù)目和構(gòu)型、水合離子對(duì)水氫鍵結(jié)構(gòu)的影響、決定水合離子輸運(yùn)性質(zhì)的微觀因素等諸多問題，至今仍沒有定論。究其原因，關(guān)鍵在于缺乏原子尺度的實(shí)驗(yàn)表征手段，以及精準(zhǔn)可靠的計(jì)算模擬方法。傳統(tǒng)的譜學(xué)和衍射技術(shù)空間分辨能力較差，只能得到平均效應(yīng)，無法探測局域環(huán)境的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的解釋異常困難，甚至得出完全矛盾的結(jié)論，因此受到很大的限制。另一方面，由于水分子具有全量子化效應(yīng)，且水分子與離子相互作用也非常微弱，這對(duì)理論計(jì)算也是巨大的挑戰(zhàn)。圖2 鈉離子水合物的原子級(jí)分辨成像。從左至右，依次為五種離子水合物的原子結(jié)構(gòu)圖、掃描隧道顯微鏡圖、原子力顯微鏡圖和原子力成像模擬圖。圖像尺寸：1.5 nm ×1.5 nm。 為了突破實(shí)驗(yàn)上的瓶頸，研究人員基于掃描隧道顯微鏡發(fā)展了一套獨(dú)特的離子操控技術(shù)，在氯化鈉表面上可控的制備出了單個(gè)水合鈉離子，水分子的數(shù)目精確可調(diào)，為高分辨成像創(chuàng)造了條件。在此基礎(chǔ)上，他們利用之前發(fā)展起來的非侵?jǐn)_式原子力顯微鏡成像技術(shù)，依靠及其微弱的高階靜電力，克服了針尖對(duì)弱鍵合水合離子的擾動(dòng)并首次實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)分辨表征，精確確定了其微觀吸附構(gòu)型（圖2）。這也是水合離子的概念提出一百多年來，首次在實(shí)驗(yàn)中直接“看到”水合離子的原子級(jí)圖像。 進(jìn)一步，研究人員利用帶電的針尖作為電極，控制單個(gè)水合離子在氯化鈉表面上的定向輸運(yùn)，發(fā)現(xiàn)了一種有趣的幻數(shù)效應(yīng)：包含有特定數(shù)目水分子的鈉離子水合物具有異常高的擴(kuò)散能力，遷移率比其他水合物要高1-2個(gè)量級(jí)，甚至遠(yuǎn)高于體相離子的遷移率（圖3）。結(jié)合第一性原理計(jì)算和經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬，他們發(fā)現(xiàn)這種幻數(shù)效應(yīng)來源于離子水合物與表面晶格的對(duì)稱性匹配程度，而且可以在很大一個(gè)溫度范圍內(nèi)存在（包括室溫）。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)這種幻數(shù)效應(yīng)具有一定的普適性，適用于相當(dāng)一部分鹽離子體系。圖3 鈉離子水合物在NaCl表面輸運(yùn)的幻數(shù)效應(yīng)。a，效果圖：包含3個(gè)水分子的水合物具有異常強(qiáng)的擴(kuò)散能力。 b，分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的不同離子水合物在225K-300K下1ns時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散的均方位移。 水溶液中的離子輸運(yùn)研究長期以來都是基于連續(xù)介質(zhì)模型，而忽略了離子與水相互作用以及離子水合物和界面相互作用的微觀細(xì)節(jié)。該工作首次建立了離子水合物的微觀結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)之間的直接關(guān)聯(lián)，刷新了人們對(duì)于受限體系中離子輸運(yùn)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。該項(xiàng)研究的結(jié)果表明，可以通過改變表面晶格的對(duì)稱性和周期性來控制受限環(huán)境或納米流體中離子的輸運(yùn)，從而達(dá)到選擇性增強(qiáng)或減弱某種離子輸運(yùn)能力的目的，這對(duì)很多相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域都具有重要的潛在意義，比如：離子電池、防腐蝕、電化學(xué)反應(yīng)、海水淡化、生物離子通道等等。此外，該工作發(fā)展的實(shí)驗(yàn)技術(shù)也首次將水合相互作用的研究精度推向了原子層次，未來有望應(yīng)用到更多更廣泛的水合物體系，開辟全新的研究領(lǐng)域。 該工作得到了Nature三個(gè)不同領(lǐng)域?qū)徃迦说囊恢潞迷u(píng)和欣賞（Overall, I enjoyed reading this manuscript），認(rèn)為該工作“會(huì)馬上引起理論和應(yīng)用表面科學(xué)領(lǐng)域的廣泛興趣”（The results presented in this manuscript are of immediate interest to the communities dealing with theoretical and applied surface science），“為在納米尺度控制表面上的水合離子輸運(yùn)提供了新的途徑并可以拓展到其他水合體系”（This result may open a venue for controlling diffusion transport on nano-engineered crystal surfaces and it may be also extended to other hydration systems）。