环境温度下基于水过饱和体系的甲烷水合物高效存储与运输技术研究

为解决天然气(NG)存储中水合物形成动力学缓慢和运输能效低的问题，研究人员开发了基于水过饱和固定床反应器(FBR)的新型存储系统。通过使用疏水涂层硅砂和L-色氨酸(L -trp)促进剂，实现了293.15 K环境温度下快速高容量CH4 存储（比传统系统提升77.3%），为固态天然气(SNG)商业化提供了低能耗解决方案。

　　

随着全球能源结构转型，天然气（NG，主要成分为CH₄
）因其低碳特性成为关键过渡能源。然而传统液化天然气(LNG)和压缩天然气(CNG)技术面临极低温(-162℃)或高压(200-250 bar)的瓶颈，且中小型气田开发亟需低成本的灵活存储方案。甲烷水合物凭借172 V_STP
/V的高存储容量和温和的常压稳定性（自保存效应），被视为理想的固态天然气(SNG)载体。尽管四氢呋喃(THF)等热力学促进剂能实现环境温度(293.15 K)存储，但缓慢的成核动力学和传统固定床反应器(FBR)中水含量不足导致的运输能效低下，长期阻碍其商业化应用。

针对这一难题，国内研究团队在《Fuel》发表创新成果，通过设计水过饱和FBR系统，结合疏水改性硅砂和_L
-trp动力学促进剂，实现了环境温度下甲烷水合物的超快速形成与高密度存储。研究采用对比实验方法，系统测试了未搅拌釜式反应器(UTR)、搅拌釜式反应器(STR)及不同水饱和度的FBR性能，并通过经济性模型评估了运输能耗。

关键技术包括：1）疏水涂层硅砂制备（溶胶-凝胶法）；2）水过饱和FBR系统构建（孔隙率0.479）；3）THF/CH₄
混合水合物动力学监测（5.56 mol% THF溶液）；4）基于气相消耗量的存储效率计算。

结果与讨论

1. 反应器性能对比：水过饱和FBR在80 bar、293.15 K条件下，CH₄
   吸收速率较传统UTR提升3.2倍，存储密度达161 V_STP
   /V，超越STR的机械搅拌效果。
2. 关键促进机制：疏水涂层形成的气体通道与_L
   -trp的界面活性协同作用，将成核诱导期缩短至常规系统的1/5。
3. 水饱和度优化：当水填充量超过孔隙体积100%时，单位过程CH₄
   存储量较欠饱和系统提高77.3%，同时维持90%的转化率。
4. 经济性评估：运输环节能耗分析表明，过饱和系统可减少38%的载体质量运输，全链条能效优于LNG方案。

结论
该研究首次证实水过饱和FBR在环境温度下实现高能效SNG存储的可行性。通过疏水介质构筑三维气液传输网络，结合氨基酸促进剂调控成核微环境，突破了水合物工业化应用的两大瓶颈——动力学限制与运输密度矛盾。经济模型显示，该系统特别适用于分布式气田开发，为构建低碳天然气供应链提供了新技术路径。作者团队（Kwangbum Kim、Jae W. Lee等）指出，未来研究将聚焦于多尺度反应器放大和长期循环稳定性验证。