原來你是這樣的可燃冰 早報解讀未來能源之星
2017年05月20日08:38

  來源:青島早報

  國土資源部中國地質調查局18日在南海宣佈,我國正在南海北部神狐海域進行的可燃冰試采獲得成功,這標誌著我國成為全球第一個實現了在海域可燃冰試開採中獲得連續穩定產氣的國家。隨後,中共中央、國務院對海域天然氣水合物試采成功發去賀電,賀電指出,這是在掌握深海進入、深海探測、深海開發等關鍵技術方面取得的重大成果,是中國人民勇攀世界科技高峰的又一標誌性成就,對推動能源生產和消費革命具有重要而深遠的影響。昨天,記者採訪了中國石油大學(華東)石油工程學院副教授、碩士生導師孫致學,給大家解讀這個“未來能源之星”。

  什麼是可燃冰?

  “可燃冰是天然氣水合物,天然氣水合物是由水分子在高壓和低溫環境下捕獲住天然氣分子而形成的似冰狀結晶態化合物。因其遇火即可燃燒,故又名‘可燃冰’。 ”孫致學告訴記者,天然氣水合物具有的籠形結構與一般的晶體化合物結構不同,它只是簡單的分子物理組合,因此不具有嚴格的理論化學式,天然氣水合物這種氣體分子主要為甲烷,此外,還可以存在乙烷、丙烷等。

  記者瞭解到,可燃冰形成要滿足三個條件:溫度不能太高。海底的溫度在2~4℃,適合天然氣水合物的形成,高於20℃就分解;壓力要足夠大。在0℃時,只需要30個大氣壓就可形成水合物。海深每增加10米,壓力就增大1個大氣壓,因此海深300米就可達到30個大氣壓。海越深壓力就越大,天然氣水合物就越穩定;要有甲烷氣源。海底古生物遺骸的沉積物被細菌分解會產生甲烷,或者天然氣在地球深處產生並不斷進入地殼。在上述三個條件都具備的情況下,天然氣可與水生成天然氣水合物,分散在海底岩層的空隙中。自然界中天然氣水合物的穩定性取決於溫度、壓力及氣―水組分之間的相互關係。在全球最有可能形成天然氣水合物的區域是高緯度的凍土層和海底大陸架斜坡。

  人類是如何發現可燃冰的?

  “人類首次獲得可燃冰是在1778年,英國化學家Joseph Priestley在實驗室中研究出了二氧化硫水合物。然而,那個時候他雖然對這種剛獲得的晶體結構進行了描述,但並沒有對它進行命名。約33年後的1811年,英國科學家HumphreyDavy得到了結構相似的氯的水合物,並將其命名為氣體水合物。雖然一些科學家認為是Davy首先發現了氣體水合物,但是Priestley確實是第一個在實驗室內合成了氣體水合物的人。 ”孫致學說,可惜的是,Davy的研究成果並沒有引起那個時代科學界的注意,在之後近一個世紀里氣體水合物的研究進展幾乎停滯。

  “1934年,美國科學家Hammer-schmidt發表了其對美國天然氣輸氣管道(堵塞物)的調查研究成果後,氣體水合物的研究工作進入了第二個曆史時期。當時人們發現,在冬季的時候,天然氣輸氣管道中會形成固態的堵塞物,一般認為這種堵塞物是水蒸氣液化結冰後的產物。Hammerschmidt進行實驗室研究後發現,這種固態的堵塞物其實並不是冰,而是天然氣在傳輸過程中形成的水合物。為了對形成的氣體水合物的詳細特徵進行調查研究,並找到有效的方法來預防輸氣管道的堵塞或是疏通堵塞管道,氣體水合物的研究工作由此具有了緊迫性。”孫致學說,之後,可燃冰研究進入了第三個曆史時期時,研究氣體水合物的目的已經變為尋找可燃冰資源,而可燃冰資源已被認為是未來非常值得期待的非常規能源。 “現在我們知道自然界中存在氣體水合物,它們不僅存在於我們生活的星球上,還存在於全宇宙中。 ”孫致學說。

  中國的可燃冰都在哪?

  “在地球上,蘊藏著極具潛力的可燃冰資源,即使我們僅開採其17%到20%的份額,也足夠我們使用200年了。自然界中的可燃冰廣泛分佈在大陸永久凍土、島嶼的斜坡地帶、活動和被動大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內陸湖的深水環境,目前我們已經發現超過230個天然氣水合物礦點。 ”孫致學說,目前,可燃冰資源最具有開發前景的是在北極地區現有基礎設施條件下具有高飽和度天然氣水合物的優質儲層。 “極地天然氣水合物分佈於南北極大陸及其毗鄰海域的沉積物(岩)中,與廣泛分佈的永久凍土帶密切相關,資源潛力巨大。據統計,目前已在北極和南極地區分別發現19處和5處可燃冰礦點。 ”孫致學說,從目前主要極地國家天然氣水合物勘查開發現狀和相關國家政策來看,美國已將極地天然氣水合物列為一種長期的、具有戰略性的能源,對於未來實現天然氣水合物商業化生產所持有的熱度最高,阿拉斯加北坡凍土區的天然氣水合物有可能最先實現商業化生產。中國雖不屬於極地國家,但在2007和2008年,分別在南海北部海域和青藏高原凍土區成功鑽獲天然氣水合物實物樣品,實現了中國海陸域天然氣水合物找礦的重大突破,使得中國成為目前世界上在中低緯度地區唯一擁有海底和陸上凍土區天然氣水合物資源的國家。

  “2007年5月1日,我國首次在南海北部神狐海域成功鑽獲天然氣水合物實物樣品,證實該區域蘊藏了豐富的天然氣水合物資源,我國成為繼美國、日本、印度之後第四個通過國家級研發計劃采到實物樣品的國家,標誌著我國在該領域的調查研究水平步入世界先進行列。 ”孫致學說,中國海陸域可燃冰資源潛力巨大,基於我國可燃冰勘查開發現狀,我們一方面應堅持海陸域可燃冰勘查開發並舉的戰略規劃長期不變,發揮中國陸域凍土區資源和地理優勢,加強國際水合物開採技術的交流與合作,加快本土凍土區水合物的試開採試驗,爭取在開採工藝上有所突破和創新,總結出適用於凍土區水合物經濟可行的開採方法,進一步為海域可燃冰商業開發提供經驗和技術。在開採技術方面的自主創新將會成為中國參與極地水合物開發的一個很好的介入點。

  可燃冰可作為未來潔淨新能源

  “天然氣水合物作為未來的一種潔淨能源,是一種燃燒熱值更高、汙染更小更清潔、更方便利用的新型潛力能源。 ”孫致學說,燃燒熱值是指物質與氧氣進行燃燒反應時放出的熱量。它一般用單位質量或體積的燃料物質在燃燒時放出的能量來進行計量。在日常生活中常見的燃料有汽油、柴油、酒精、木材、煤、天然氣等,而以甲烷為主的天然氣水合物的燃燒值很高,是我國使用量最大的能源材料煤的2到3倍;可燃冰的使用又很方便,天然氣水合物可以通過冷卻、壓縮處理成液化天然氣,從而做到所占空間更小,不管是管道運輸還是交通運輸都更方便。

  此外,記者還瞭解到,燃燒後,可燃冰僅會生成少量的二氧化碳和水,汙染比煤、石油、天然氣小很多,但能量高出十倍。

  記者 徐棟 通訊員 楊安

  新聞內存:

  大國都看上了可燃冰

  可燃冰是一種有重大戰略意義的未來能源。“目前全球生產模式主要依靠的傳統化石能源總會耗盡,而可燃冰可能大大延長這個時間,為人類開發新能源提供緩衝。 ”中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室副研究員袁嵐峰說。

  大國競相探索

  可燃冰的優點吸引了全球大國競相研究開採手段。除了中國,美國和日本也在嚐試開採可燃冰。

  美國能源部下屬的國家能源技術實驗室12日宣佈,正與得克薩斯大學奧斯汀分校等機構合作,於5月在墨西哥灣深水區開展可燃冰開採研究,11日已經開始了一次鑽探。

  日本經濟產業省資源能源廳4日宣佈,日本石油天然氣金屬礦物資源機構成功從日本近海海底埋藏的可燃冰中提取出甲烷。此次試驗開採海域位於愛知縣和三重縣附近的太平洋近海,估計該海域擁有的可燃冰儲量達1.1萬億立方米,是日本天然氣年消費量的約10倍。

  這是日本第二次開採可燃冰。2013年,日本嚐試過開採海底可燃冰並提取了甲烷,但由於海底砂流入開採井,試驗僅6天就被迫中斷。本次試驗持續12天后也因出砂問題中斷,未能完成原計劃連續三四周穩定生產的目標,12天產氣量只有3.5萬立方米。

  中國成果領先

  中國此次試采可燃冰成功,也是世界首次成功實現資源量占全球90%以上、開發難度最大的泥質粉砂型天然氣水合物安全可控開採。截至18日,本次試采連續產氣超過一週,最高日產量3.5萬立方米,累計產氣12萬立方米。

  “有專家認為,從科學到技術創新要經曆知其然(發現現象)、知其所以然(理論理解)、造其然(技術上可行)、利其然(經濟上可行)的4個階段。中國這次突破的意義,就是讓利用可燃冰達到了‘造其然’的階段。 ”袁嵐峰說。

  但是袁嵐峰也表示,可燃冰要商業化還有許多障礙,比如降低開採成本、降低環境影響等。

  儘管大規模利用可燃冰還需等待,但終會有到來的那一天,“屆時可能對整個人類都有巨大戰略意義。 ”袁嵐峰說。 據新華社

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