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神奇的可燃冰 未来的新能源 精选

已有 5569 次阅读 2008-3-3 22:41 |个人分类:科普|系统分类:科研笔记

神奇的可燃冰 未来的新能源

樊栓狮

 

可燃冰是什么?

  可燃冰顾名思义点火能燃烧,是一种非常规能源。它是天然气充填在水的晶体笼架中形成的冰状固体物,其学名叫天然气水合物,是天然气和水在低温高压条件下形成的一种冰状固体物质,类似于固体酒精,主要存在于海底或陆地冻土带内。绝 大部分的可燃冰分布在海洋里,其资源量是陆地上的100倍以上。

与煤炭、石油、天然气这些传统能源相比,可燃冰不仅清洁而且高效。由于含有大量甲烷气体,可燃冰可以直接点燃,燃烧后不产生残渣和废气;可燃冰能量密度极高,据估算,1立方米可燃冰的能量相当于0.164吨石油或0.328吨标准煤的能量,在标准状况下,1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气。可燃冰外表上看它像冰霜,从微观上看其分子结构就像一个一个笼子,由若干水分子组成一个笼子,每个笼子里一个气体分子。

 

可燃冰是如何形成的?

可燃冰的形成与海底石油天然气的形成过程相仿,而且密切相关。埋于海底地层深处的大量有机质在缺氧环境中,厌气性细菌把有机质分解,最后形成石油和天然气(石油气)。其中许多天然气又被包进水分子中,在海底的低温与压力下又形成可燃冰。这是因为天然气有个特殊性能,它和水可以在温度25摄氏度内结晶,这个结晶就是可燃冰。因为主要成分是甲烷,因此也常称为甲烷水合物。在常温常压下它会分解成水与甲烷,可燃冰可以看成是高度压缩的固态天然气。

为什么大多数形成于海底?

 要形成可燃冰,必须同时具备三个条件:一是低温(01 0)、二是高压 (大于1OMPa或水深300m及更深)、三是充足的气源。由于形成条件的制约,可燃冰通常仅分布在海洋大陆架外的陆坡、深海和深湖以及永久冰土带。大约27%的陆地(极地冰川冰土带和冰雪高山冻结岩)90%的大洋水域是可燃冰的潜在区,其中大洋水域的30%可能是其气藏的发育区。

不管海平面温度如何,水愈深温度愈低,在海底温度通常只有3-4,然后温度开始以3/100m梯度上升。可燃冰一般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。

 

可燃冰的开采技术存在怎么样的特殊性?

 可燃冰大多埋藏在海底的岩石中,和石油、天然气相比,它不易开采和运输,世界上至今都还没有完备的开采方案。要实现可燃冰的商业开发,人类最少要克服开发过程中的两大环境障碍:一是保证易燃的甲烷气体不泄漏,以免毒化海水,增强温室效应;二是保证海底的稳定,不因采矿造成海底的滑塌、滑坡。

开采方案主要有三种。第一是热解法。利用可燃冰在加温时分解的特性,使其由固态分解出甲烷蒸汽。但此方法难处在于不好收集。海底的多孔介质不是集中为一片,也不是一大块岩石,而是较为均匀地遍布着。如何布设管道并高效收集是急于解决的问题。

方案二是降压法。有科学家提出将核废料埋入地底,利用核辐射效应使其分解。但它们都面临着和热解法同样布设管道并高效收集的问题。

方案三是置换法。研究证实,将CO2液化(实现起来很容易),注入1500以下的洋面(不一定非要到海底),就会生成二氧化碳水合物,它的比重比海水大,于是就会沉入海底。如果将CO2注射入海底的甲烷水合物储层,因CO2较之甲烷易于形成水合物,因而就可能将甲烷水合物中的甲烷分子挤走,从而将其置换出来。

但如果可燃冰在开采中发生泄露,大量甲烷气体分解出来,经由海水进入大气层。甲烷的温室效应比CO2要大21倍,因此一旦这种泄露得不到控制,全球温室效应将迅速增大,大气升温后,海水温度也将随之升高、地层温度上升,这会造成海底的可燃冰的自动分解,引起恶性循环。因此,开采必须要受控,使释放出的甲烷气体都能被有效收集起来。

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1030年的时间才能投入商业开采。其实,中国、美国、加拿大、印度、韩国、挪威和日本已开始各自的可燃冰研究计划,其中日本建成7口探井,期望在2010年投入商业开采,美国近年也急起直追,希望在2015年在海床或永久冻土带进行商业开采。

可见,可燃冰带给人类的不仅是新的希望,同样也有新的困难,只有合理的、科学的开发和利用,可燃冰才会真正的为人类造福。

美国和日本的研究表明,目前可燃冰开采成本非常高,达到每立方米200美元,按照每立方米可燃冰释放的能量相当于180立方米天然气计算,折合成本达到每立方米1美元以上。可见,从美好的希望到现实之间,还有漫长的路要走。迄今为止,世界上至少有30多个国家和地区进行着可燃冰的研究与调查勘探。起步较早的美国、俄罗斯已经进入初级工业开发阶段,今年218日,美国在阿拉斯加冻土区成功打出了可燃冰实物样品,并准备进行试生产,计划到2015年进行商业性试采;加拿大、日本和印度等国已将可燃冰的开发利用研究提到能源战略、国家安全以及环境生态的高度来看待,纷纷制定各自的国家可燃冰发展战略和大型国家研究发展计划。目前,日本已基本完成周边海域的天然气水合物调查与评价,并钻探了7口探井,圈定了12块矿集区,并成功取得可燃冰样品。

 

它的开采会不会对气候变暖及周围环境造成影响?

 那么,可燃冰的开采会不会造成灾害?能引起环境问题吗?有学者认为,在导致全球气候变暖方面,甲烷所起的作用比二氧化碳要大10-20倍。而可燃冰矿藏哪怕受到最小的破坏,都足以导致甲烷气体的大量泄漏。另外,陆缘海边的可燃冰开采起来十分困难,一旦出了井喷事故,就会造成海啸、海底滑坡、海水毒化等灾害。最近网易报道了“可燃冰也许是上帝设置的一个陷阱”的说法。由此可见,可燃冰在作为未来新能源的同时,也是一种危险的能源。可燃冰的开发利用就像一柄双刃剑,需要小心对待。但人们肯定会科学、谨慎行事,这种影响应该是不会发生的,人类能够通过努力克服和解决的。法国科学家Laherrere2000年发表在《能源勘探与开发》的“海洋水合物:问题多于答案”。因此,我们要充分认识一个一个问题,寻找它们的答案,最终会躲过陷阱,得到馅饼,得到能源财富。例如,针对热分解和减压法开采可燃冰会造成全球气温升高和海底生物灭绝问题,认为甲烷“不会按照我们人为设计的通道分解,它自己就会溜掉”,实际上不会采取漫加热和漫分解,减压法也不会让天然气溜掉。事实上,俄罗斯和加拿大冻土水合物的开采也没有发现逸散和造成温室效应。至于海底滑坡问题,认为水合物的胶接效应被破坏后可能造成海底滑坡和地质灾害,也只是推测,科学家正在解决其力学问题,当然也不可能开采有滑坡危险的可燃冰。

 (本文本来写给某科普杂志,没有投,最近整理发现,发表于此)

 



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1 肖重发

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