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解密未来能源——可燃冰

浙江省湖州中学 313000 于海强

    中国国土资源部中国地质调查局 2017 年 5月 18 日宣布,中国首次海域天然气水合物即可燃冰试采成功。央视新闻称,这标志着中国成为全球第一个实现了在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家。早在 2007 年中国在南海北部钻取“可燃冰”首次采样成功,证实了南海北部蕴藏有丰富的天然气水合物资源,标志着中国天然气水合物调查研究水平一举步入世界先进行列。现中国成为全球领先掌握海底天然气水合物(也叫可燃冰)试采技术的国家,这对于促进我国能源安全保障,优化能源结构具有里程碑意义。
一、可燃冰的发现和开采的意义
    煤、石油、天然气作为不可再生的能源,用完了我们用什么? 能源危机的临近使各国科学家希望找到一种新的替代能源迫在眉睫。所谓天无绝人之路,就在人类对石油资源即将枯竭而惶恐不已之时,科学家却在大海深处发现了一种可以燃烧的“冰”,并美其名曰“可燃冰”。“可燃冰”这个名字的出现,给我们留下了巨大的想象空间。可燃冰,学名天然气水合物(Natural Gas Hydrate,简称 Gas Hydrate),是由天然气和水在高压低温的条件下形成的类冰状的结晶化合物。从外形上看,它就像是白色或浅灰色的冰雪晶体,却可以像固体酒精一样被点燃,所以被称为“可燃冰”。它是一种非化学计量笼形物,为超分子结构,从微观上看其分子结构就像一个一个‘笼子’,若干水分子组成一个笼子,每个笼子里‘关’一个气体分子。即“水分子通过氢键形成由五面体/六面体构成的笼孔,每个笼中可容纳一个气体分子”。在常温常压下它会分解成水与甲烷,一立方米固体“可燃冰”可释放出164 到200 立方米甲烷气体(甲烷就是俗称的天然气),因而“可燃冰”可以看成是高度压缩的固态天然气。目前对可燃冰中甲烷总量较为一致的估计是 2. 0 × 10 16 m 3 或 2. 1 ×10 16 m 3 ,相当于当前已探明化石燃料(煤、石油和天然气)总含碳量的两到三倍,而且是一种较洁净的能源。“冰块”可直接点燃,燃烧后几乎不产生任何残渣,污染比煤、石油、天然气都要小得多。科学家估计,海底可燃冰分布的范围约 4000 万平方公里,占海洋总面积的 10%,海底可燃冰的储量够人类使用 1000 年。由于可燃冰是天然气和水的化合物,燃烧后仅会产生少量的二氧化碳和水,与煤、石油等传统化石能源产生大量污染相比,是真正的绿色能源,被誉为“21 世纪最具商业开发前景的绿色清洁战略能源”。可燃冰,当之无愧是未来能源的王者,西方学者称其为“21 世纪能源”或“未来能源”。
二、可燃冰的形成和开采的方案
    据研究可燃冰由海洋板块活动而成。当海洋板块下沉时,较古老的海底地壳会下沉到地球内部,海底石油和天然气便随板块的边缘涌上表面。当接触到冰冷的海水和在深海压力下,天然气与海水产生化学作用,就形成水合物。“可燃冰”的形成有三个基本条件:首先温度不能太高,在零度以上可以生成,0℃ - 10℃为宜,最高限是 20℃左右,再高就分解了。第二压力要够,但也不能太大,零度时,30 个大气压以上它就可能生成。第三,地底要有气源。所以最有可能形成“可燃冰”的区域一个是高纬度的冻土层。如美国的阿拉斯加、俄罗斯的西伯利亚都已有发现,而且俄罗斯已开采近 20 年;另一个是海底大陆架斜坡。如美国和日本的近海海域,加勒比海沿岸及我国南海和东海海底均有储藏,事实证明我国黄海海域和青藏高原的冻土带也有储藏。二者之中,海底的“可燃冰”储量较大。
    世界各国对“可燃冰”的开采仍处于研究试验阶段,还没有成熟完美的开采技术,但有3 种开采方案。其一,热解法。利用“可燃冰”在温度升高时会自动分解的特性,通过加温方式向可燃冰层注入热能,使其由固态分解出甲烷气体。这种开采方式基本上已获得成功,但整个开采过程要对甲烷进行两次分离,还要消耗大量能源来加热温水。其二,置换法。将化学试剂注入“可燃冰”层中,使其与可燃冰发生反应,改变可燃冰的稳定平衡状态,使其发生失稳作用而进行开采。这种方法同“热解法”一样,对甲烷气体难以进行有效的收集,布设收集管道是个难题。其三,降压法。“可燃冰”层下面往往存在游离的天然气,这些天然气被抽出后便能降低矿层的压力,使矿层中的“可燃冰”由于压力减小而失稳分解。
三、可燃冰的未来和开采的风险
    “可燃冰”带给人类的不仅是新的希望,同样也有新的困难,因为在可燃冰开采过程中,一旦出现任何差错,将引发严重的环境灾难,成为环保敌人——— 首先,收集海水中的气体是十分困难的,海底可燃冰属大面积分布,其分解出来的甲烷很难聚集在某一地区内收集,而且一离开海床便迅速分解,容易发生喷井意外。更重要的是,甲烷的温室效应是二氧化碳的 10 倍 ~ 20 倍,若处理不当发生意外,分解出来的甲烷气体由海水释放到大气层,将使全球温室效应问题更趋严重。此外,海底开采还可能会破坏地壳稳定平衡,造成大陆架边缘动荡而引发海底塌方,甚至导致大规模海啸,带来灾难性后果。目前已有证据显示,过去这类气体的大规模自然释放,在某种程度上导致了地球气候急剧变化。因而只有合理地、科学地开发和利用,“可燃冰”才会真正的为人类造福。如何开采就是其中的“卡脖子”问题。陆地虽然已经发现了很多的天然气水合物藏,但仅有俄罗斯麦索亚哈气田进行工业性开采。该气田主要向天然气水合物层加压并输入甲醇来促进水合物分解,并使游离天然气层的厚度增加。用甲醇分解水合物无疑增加了开采投入,于是人们想到用热水交换使水合物发生分解,即让热水依靠压差从深层上升到含天然气水合物层,热量就会向天然气水合物层扩散并使之分解,达到用常规方法开采天然气水合物。迄今为止,人们还在不断寻求既经济又简便的天然气水合物勘探与开采新方法。海底可燃冰的开采涉及复杂的技术问题,所以目前仍在发展阶段,估计需要 10 至 30 年的时间才能投入商业开采。
    随着经济发展,油气资源日益匮乏,中国已步入石油进口大国行列。油气地质学家一直关注着天然气水合物国际研究动态,国家和政府对新型油气资源勘探和开发活动非常支持。自 80 年代以来,世界各国都投入了相当的资金和人力进行天然气水合物的地质调查、勘探、开采等基础理论研究。在天然气水合物合成、稳定存在条件和相平衡方面获得了很大的成绩,尤其是在防止天然气水合物生成预报的阻化技术方面取得长足进展。中国在 1998 年,完成了“中国海域气体水合物勘测研究调研”课题,首次对中国海域的天然气水合物成矿条件及找矿远景做了总结。当然天然气水合物研究尚存在许多亟待解决的问题和需要开展的研究工作:缺乏更精确的热动力学定量模型来描述天然气水合物形成与分解的稳定存在范围研究;需开展地质环境背景下天然气水合物形成的模拟实验;需进一步探索有效的天然气水合物开采新技术、新方法和提高地震数据采集和处理分辨率,需寻求适合于天然气水合物资源量的计算方法;需进一步查明天然气水合物对全球气候的影响机制等。尽管可燃冰看上去很美,但全球都处在试验开采的阶段,还远远不能实现商业化开采。可燃冰的商业化开采还面临技术难、成本高、环境风险大等诸多挑战,由此可见,天然气水合物开发研究的未来面临着挑战。

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