“可燃冰”天然氣水合物及其利用

 一、引言

    上世紀(jì)60～90年代，科學(xué)家在南極凍土帶和海底發(fā)現(xiàn)一種可以燃燒的“冰”(又稱天然氣水合物)，這種環(huán)保能源一度被看做是替代石油的****能源�？扇急�是自然形成的，它們最初來(lái)源于海底的細(xì)菌。海底有很多動(dòng)植物的殘骸，這些殘骸腐爛時(shí)產(chǎn)生細(xì)菌，細(xì)菌排出甲烷，當(dāng)正好具備高壓和低溫的條件時(shí)，細(xì)菌產(chǎn)生的甲烷氣體就被鎖進(jìn)水合物中。由于需要同時(shí)具備高壓和低溫的環(huán)境，它們大多分布在深海底和沿海的凍土區(qū)域，這樣才能保持穩(wěn)定的狀態(tài)�！翱扇急�”外貌像雪，又類似于固體酒精。

    二、什么是“可燃冰”?

    可燃冰”是甲烷與水分子的化合物，其學(xué)名為 “天然氣水合物”(CH4·H20)，因其呈白色固態(tài)結(jié)晶體狀，外觀像冰而又極易燃燒而得名。它是在一定條件下由甲烷(即天然氣的主要成分)與水相互作用而形成的，其燃燒所放出的熱量是同體積天然氣的160多倍，且燃燒后同天然氣一樣，幾乎不產(chǎn)生任何殘?jiān)�或廢棄物，是一種理想的清潔能源。

    天然氣水合物自1965年在前蘇聯(lián)西伯利亞聲索亞哈氣田被首次發(fā)現(xiàn)礦層以后，又于1970年在高緯度極地永凍層被再次發(fā)現(xiàn)，以后又陸續(xù)在前蘇聯(lián)黑海1950米深處、墨西哥灣深海中的天然冒油點(diǎn)、東太平洋、白令海域及我國(guó)青海省祁連山南緣永久凍土帶下等處被發(fā)現(xiàn)，于是各國(guó)相繼投入巨額經(jīng)費(fèi)對(duì)其進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)世界各國(guó)政府和科學(xué)家的努力，一個(gè)世界范圍勘查海底天然氣水合物的戰(zhàn)役已經(jīng)打響，發(fā)現(xiàn)的礦區(qū)與日俱增，1980年{K9處，到2008年已猛增到188處。由于受研究程度的限制，現(xiàn)在還很難確定地球上(主要是海底)天然氣水合物的絕對(duì)數(shù)量，但目前公認(rèn)的看法是：全球海底天然氣水合物的甲烷資源量是迄今地球上所有已知的煤、石油及天然氣礦床的甲烷總量的兩倍。因此在人們擔(dān)心地球上化石能源將被耗盡的今天，這種可望成為21世紀(jì)替代煤、石油、天然氣的新型能源礦產(chǎn)，具有巨大的資源潛力和商業(yè)價(jià)值。

  三、“可燃冰”的形成

  天然氣水合物(即“可燃冰”，以下同)的形成有

三個(gè)基本條件，即：

  ①溫度不能太高(0℃左右)；

  ②有較高的壓力(30個(gè)大氣壓)；

  ③有氣源。

  在溫度、壓力和氣源三項(xiàng)條件都具備的條件下，便會(huì)在介質(zhì)的空隙中生成天然氣水合物的晶體，自然界具備這些條件的地區(qū)大多在深海及冰川地區(qū)，因此目前世界上也主要是在海洋發(fā)現(xiàn)它。在我國(guó)的南海及西北內(nèi)陸已發(fā)現(xiàn)了它的蹤跡，在東海、黃海及青藏高原永久凍土層都存在著極大的儲(chǔ)藏可能性。

    目前應(yīng)用天然氣水合物的困難在于開(kāi)采，世界上至今都沒(méi)有完美的開(kāi)采方案，這主要是因?yàn)殚_(kāi)采這種水合物會(huì)給生態(tài)帶來(lái)一系列嚴(yán)重問(wèn)題。因?yàn)樘烊粴馑�合物中存在著兩種溫室氣體：甲烷和二氧化碳，甲烷是其主要成分，同時(shí)也是一種反應(yīng)快速、影響明顯的溫室氣體。天然氣水合物中的甲烷總量大致是大氣中甲烷含量的3000倍，作為短期溫室氣體，甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的10至20倍，如果在開(kāi)采中甲烷氣體大量泄漏于大氣中，造成的溫室效應(yīng)將比二氧化碳更加嚴(yán)重。而天然氣水合物這種礦藏，哪怕是受到最，的破壞，甚至是自然的破壞，都足以導(dǎo)致甲烷氣的大量散失而進(jìn)入大氣中，造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。

    天然氣水合物應(yīng)用的第二個(gè)困難在于其運(yùn)輸，要保證天然氣水合物的完整就必須保持相應(yīng)的壓力及溫度一一O⁰C左右及30個(gè)大氣壓。否則其便會(huì)迅速氣化而散失。

    當(dāng)然，這些問(wèn)題并不是不能克服的，從技術(shù)角度來(lái)看，己完全不是問(wèn)題。只是其經(jīng)濟(jì)代價(jià)太高，尚未能達(dá)到供工業(yè)化生產(chǎn)，供普通用戶使用的地步。目前世界各國(guó)都在加大投入進(jìn)行實(shí)用性研究。日本就準(zhǔn)備在10年內(nèi)將其實(shí)用化。我國(guó)科技界也已開(kāi)始進(jìn)行類似的模擬試驗(yàn)，并取得了初步成功。

    因此，天然氣水合物的開(kāi)發(fā)利用就像是一柄“雙刃劍”，需要小心謹(jǐn)慎地對(duì)待，在考慮其資源價(jià)值的同時(shí)，必須充分注意到有關(guān)開(kāi)發(fā)利用將給人類帶來(lái)重環(huán)境災(zāi)難。

    四、“可燃冰”的利用

    “可燃冰”的利用，除直接開(kāi)采使用自然界有的現(xiàn)成資源外，還可以和環(huán)境保護(hù)工作結(jié)合起來(lái)，如目前，日本就正在研究從下水道污泥中提取“可燃冰”的實(shí)用技術(shù)，其基本步驟為：

  ①把下水道污泥中產(chǎn)生的沼氣集中起來(lái)；

  ②再將沼氣(實(shí)際是甲烷)制為可燃冰。

  這中間第①步容易做到，普通的污水處理廠也是這樣操作的，但由于其所產(chǎn)生的沼氣中的甲烷含量不固定，加之總量又較少，一般只能就地利用或燃燒掉 (如重慶市唐家橋污水處理廠)，要利用就必須擴(kuò)大污水處理廠的規(guī)模，以增加甲烷的產(chǎn)量。這第②步制 “可燃冰，在技術(shù)上也是可行的，我國(guó)的青島海洋地質(zhì)研究所就已經(jīng)試驗(yàn)成功了。但要制造“可燃冰”，一要高壓(30個(gè)大氣壓)，二要低溫(0℃)，所花的代價(jià) (即生產(chǎn)成本)太高，與制成的可燃冰其體積減少為 原來(lái)的1／160左右所帶來(lái)的便利相比(且不談高價(jià)的儲(chǔ)存運(yùn)輸設(shè)備及帶來(lái)的相應(yīng)危險(xiǎn)性)，實(shí)在是得不償失。這就像普通的天然氣現(xiàn)在完全可以將其液化后用

  罐儲(chǔ)存、運(yùn)輸，但我們?nèi)粘Ｊ褂脜s還是采用管道輸送一樣，“非不能也，是不為也”。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，在我市以至全國(guó)大量的大型污水處理廠建立起來(lái)以后，則應(yīng)該說(shuō)是具有一定價(jià)值的。實(shí)際上，我國(guó)燃?xì)饨缫惨验_(kāi)始關(guān)注此事，重慶大學(xué)燃?xì)饨萄惺遗c重慶燃?xì)饧瘓F(tuán)已經(jīng)聯(lián)手開(kāi)始此項(xiàng)工作，并已開(kāi)始對(duì)此類燃?xì)庑录夹g(shù)開(kāi)

  展研發(fā)，以此作為燃?xì)庑袠I(yè)的新技術(shù)儲(chǔ)備之一。

【鏈接閱讀】可燃冰的開(kāi)采方案  

  可燃冰開(kāi)采方案主要有三種。

  ◆方案一熱解法

  利用。�？扇急�’’在加溫時(shí)分解的特性，使其由固態(tài)分解出甲烷蒸氣。但此方法難處在于不好收集。海底的多孔介質(zhì)不是集中為“一片”，也不是一大塊巖石，而是較為均勻地遍布著。如何布設(shè)管道并高效收集是急于解決的問(wèn)題。

  ◆方案二一一降壓法

  有科學(xué)家提出將核廢料埋入地底，利用核輻射效應(yīng)使其分解。但它們都面臨著和熱解法同樣布設(shè)管道并高效收集的問(wèn)題。

    ◆方案三一一置換法

    研究證實(shí)，將C02液化(實(shí)現(xiàn)起來(lái)很容易)，注入1500米以下的洋面(不一定非要到海底)，就會(huì)生成二氧化碳水合物，它的比重比海水大，于是就會(huì)沉入海底。如果將CO。注射入海底的甲烷水合物儲(chǔ)層，因C02較之甲烷易于形成水合物，因而就可能將甲烷水合物中的甲烷分子“擠走”，從而將其置換出來(lái)。

    但如果“可燃冰”在開(kāi)采中發(fā)生泄露，大量甲烷氣體將分解出來(lái)，經(jīng)由海水進(jìn)入大氣層。甲烷的溫室效應(yīng)比CQ要大21倍，因此一旦這種泄露得不到控制，全球溫室效應(yīng)將迅速增大，大氣升溫后，海水溫度也將隨之升高、地層溫度上升，這會(huì)造成海底的“可燃冰，的自動(dòng)分解，引起惡性循環(huán)。因此，開(kāi)采必須要受控，使釋放出的甲烷氣體都能被有效收集起來(lái)海底可燃冰的開(kāi)采涉及復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，所以目前仍在發(fā)展階段，估計(jì)需要lo~30年的時(shí)間才能投入商業(yè)開(kāi)采。其實(shí)，中國(guó)、美國(guó)、加拿大、印度、韓國(guó)、挪威和日本己開(kāi)始各自的可燃冰研究計(jì)劃，其中日本建成7口探井，期望在2010年投入商業(yè)開(kāi)采，美國(guó)近年也急起直追，希望在2015年在海床或永久凍土帶進(jìn)行商業(yè)開(kāi)采。

    可見(jiàn)，“可燃冰”帶給人類的不僅是新的希望，同樣也有新的困難，只有合理的、科學(xué)的開(kāi)發(fā)和利用， “可燃冰”才會(huì)真正的為人類造福。

    但由于資源并不易于發(fā)展，所以可燃冰的利用并不能在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)。