Methane hydrates are crystalline solid compounds in which gas methane molecules are enclosed into a host lattice of hydrogen - bonded water. Hydrate deposits occur in the permafrost and in deep ocean sediments, where pressure and temperature create thermodynamically favorable conditions. Because of the enormous presence of such compounds in nature, they represent an important potential resource of energy. Many studies have been carried out in the past to prevent the formation of clathrates in gas pipelines while, more recently, research started focusing also on the energy release during combustion of those methane hydrates. In this work, the possibility to ignite methane hydrates by a laser spark was proved, this is an interesting alternative to conventional ignition sources due to its non intrusive nature, especially for high pressure combustion inside a closed vessel. A numerical simulation was developed to verify the existence of a flammable region of air/methane around the hydrates, and a Schlieren visualization experiment showed clearly the initial flame front propagation in this region. Through laser ignition, high pressure combustion of methane hydrate samples was demonstrated for the first time, and the phenomenon was clearly visible, allowing some preliminary conclusions. During the development of this study, other aspects of the methane clathrates were investigated. A process to form and grow repeatable samples was developed; dissociation in air and combustion at atmospheric pressure were experimentally studied. Finally, an energy balance model showed that approximately 25% of the heat produced by combustion of methane hydrates is needed to sustain the flame, while the remaining 75% produces about 470 kW/m2.
Gli idrati di metano sono composti cristallini solidi nei quali molecole di metano gassoso sono racchiuse all'interno di un reticolo formato dai legami idrogeno dell'acqua. In natura, sono presenti depositi di idrati di metano nel permafrost e in sedimenti oceanici, dove pressione e temperatura formano delle condizioni termodinamiche favorevoli alla loro formazione. Grazie all'enorme quantità presente di questi composti, essi rappresentano un' importante potenziale risorsa di energia. In passato sono stati svolti molti studi per prevenire la formazione di clatrati nei gasdotti, più recentemente la ricerca ha iniziato a concentrarsi anche su aspetti riguardanti il rilascio di energia durante la combustione di questi idrati di metano. In questo lavoro, si è dimostrata la possibilità di accendere gli idrati di metano attraverso una scintilla provocata da un laser, questa si presenta come un'interessante alternativa alle comuni tecniche di ignizione grazie alla sua natura non intrusiva, soprattutto nel caso di combustione ad alte pressioni all'interno di una camera chiusa. Per verificare l'esistenza di una regione infiammabile di aria/metano intorno agli idrati, è stata sviluppata una simulazione numerica; un esperimento di visualizzazione tramite tecnica Schlieren ha mostrato chiaramente che il fronte di fiamma iniziale si propaga in questa regione. Attraverso ignizione laser, la combustione di idrati di metano ad alte pressioni è stata dimostrata per la prima volta e il fenomeno è stato chiaramente visibile, permettendo alcune conclusioni preliminari. Durante lo sviluppo di questo lavoro sono stati studiati anche altri aspetti relativi ai clatrati di metano. È stato sviluppato un processo per la formazione in laboratorio di campioni ripetibili; sono state studiati sperimentalmente i fenomeni di dissociazione in aria e combustione a pressione atmosferica. Infine, un modello di equilibrio di energia ha mostrato che approssimativamente il 25% del calore prodotto dalla combustione di idrati di metano è necessario a sostenere la fiamma, mentre il rimanente 75% produce circa 470 kW/m2.
Laser-induced spark ignition of methane hydrates
VICARIOTTO, MICHELA
2014/2015
Abstract
Methane hydrates are crystalline solid compounds in which gas methane molecules are enclosed into a host lattice of hydrogen - bonded water. Hydrate deposits occur in the permafrost and in deep ocean sediments, where pressure and temperature create thermodynamically favorable conditions. Because of the enormous presence of such compounds in nature, they represent an important potential resource of energy. Many studies have been carried out in the past to prevent the formation of clathrates in gas pipelines while, more recently, research started focusing also on the energy release during combustion of those methane hydrates. In this work, the possibility to ignite methane hydrates by a laser spark was proved, this is an interesting alternative to conventional ignition sources due to its non intrusive nature, especially for high pressure combustion inside a closed vessel. A numerical simulation was developed to verify the existence of a flammable region of air/methane around the hydrates, and a Schlieren visualization experiment showed clearly the initial flame front propagation in this region. Through laser ignition, high pressure combustion of methane hydrate samples was demonstrated for the first time, and the phenomenon was clearly visible, allowing some preliminary conclusions. During the development of this study, other aspects of the methane clathrates were investigated. A process to form and grow repeatable samples was developed; dissociation in air and combustion at atmospheric pressure were experimentally studied. Finally, an energy balance model showed that approximately 25% of the heat produced by combustion of methane hydrates is needed to sustain the flame, while the remaining 75% produces about 470 kW/m2.| File | Dimensione | Formato | |
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