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原来你是这样的可燃冰

  • 时间:2017-05-20 08:38:11

来源:青岛早报

国土资源部中国地质调查局18日在南海宣布,我国正在南海北部神狐海域进行的可燃冰试采获得成功,这标志着我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。随后,中共中央、国务院对海域天然气水合物试采成功发去贺电,贺电指出,这是在掌握深海进入、深海探测、深海开发等关键技术方面取得的重大成果,是中国人民勇攀世界科技高峰的又一标志性成就,对推动能源生产和消费革命具有重要而深远的影响。昨天,记者采访了中国石油大学(华东)石油工程学院副教授、硕士生导师孙致学,给大家解读这个“未来能源之星”。

什么是可燃冰?

“可燃冰是天然气水合物,天然气水合物是由水分子在高压和低温环境下捕获住天然气分子而形成的似冰状结晶态化合物。因其遇火即可燃烧,故又名‘可燃冰’。 ”孙致学告诉记者,天然气水合物具有的笼形结构与一般的晶体化合物结构不同,它只是简单的分子物理组合,因此不具有严格的理论化学式,天然气水合物这种气体分子主要为甲烷,此外,还可以存在乙烷、丙烷等。

记者了解到,可燃冰形成要满足三个条件:温度不能太高。海底的温度在2~4℃,适合天然气水合物的形成,高于20℃就分解;压力要足够大。在0℃时,只需要30个大气压就可形成水合物。海深每增加10米,压力就增大1个大气压,因此海深300米就可达到30个大气压。海越深压力就越大,天然气水合物就越稳定;要有甲烷气源。海底古生物遗骸的沉积物被细菌分解会产生甲烷,或者天然气在地球深处产生并不断进入地壳。在上述三个条件都具备的情况下,天然气可与水生成天然气水合物,分散在海底岩层的空隙中。自然界中天然气水合物的稳定性取决于温度、压力及气—水组分之间的相互关系。在全球最有可能形成天然气水合物的区域是高纬度的冻土层和海底大陆架斜坡。

人类是如何发现可燃冰的?

“人类首次获得可燃冰是在1778年,英国化学家Joseph Priestley在实验室中研究出了二氧化硫水合物。然而,那个时候他虽然对这种刚获得的晶体结构进行了描述,但并没有对它进行命名。约33年后的1811年,英国科学家HumphreyDavy得到了结构相似的氯的水合物,并将其命名为气体水合物。虽然一些科学家认为是Davy首先发现了气体水合物,但是Priestley确实是第一个在实验室内合成了气体水合物的人。 ”孙致学说,可惜的是,Davy的研究成果并没有引起那个时代科学界的注意,在之后近一个世纪里气体水合物的研究进展几乎停滞。

“1934年,美国科学家Hammer-schmidt发表了其对美国天然气输气管道(堵塞物)的调查研究成果后,气体水合物的研究工作进入了第二个历史时期。当时人们发现,在冬季的时候,天然气输气管道中会形成固态的堵塞物,一般认为这种堵塞物是水蒸气液化结冰后的产物。Hammerschmidt进行实验室研究后发现,这种固态的堵塞物其实并不是冰,而是天然气在传输过程中形成的水合物。为了对形成的气体水合物的详细特征进行调查研究,并找到有效的方法来预防输气管道的堵塞或是疏通堵塞管道,气体水合物的研究工作由此具有了紧迫性。”孙致学说,之后,可燃冰研究进入了第三个历史时期时,研究气体水合物的目的已经变为寻找可燃冰资源,而可燃冰资源已被认为是未来非常值得期待的非常规能源。 “现在我们知道自然界中存在气体水合物,它们不仅存在于我们生活的星球上,还存在于全宇宙中。 ”孙致学说。

中国的可燃冰都在哪?

“在地球上,蕴藏着极具潜力的可燃冰资源,即使我们仅开采其17%到20%的份额,也足够我们使用200年了。自然界中的可燃冰广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境,目前我们已经发现超过230个天然气水合物矿点。 ”孙致学说,目前,可燃冰资源最具有开发前景的是在北极地区现有基础设施条件下具有高饱和度天然气水合物的优质储层。 “极地天然气水合物分布于南北极大陆及其毗邻海域的沉积物(岩)中,与广泛分布的永久冻土带密切相关,资源潜力巨大。据统计,目前已在北极和南极地区分别发现19处和5处可燃冰矿点。 ”孙致学说,从目前主要极地国家天然气水合物勘查开发现状和相关国家政策来看,美国已将极地天然气水合物列为一种长期的、具有战略性的能源,对于未来实现天然气水合物商业化生产所持有的热度最高,阿拉斯加北坡冻土区的天然气水合物有可能最先实现商业化生产。中国虽不属于极地国家,但在2007和2008年,分别在南海北部海域和青藏高原冻土区成功钻获天然气水合物实物样品,实现了中国海陆域天然气水合物找矿的重大突破,使得中国成为目前世界上在中低纬度地区唯一拥有海底和陆上冻土区天然气水合物资源的国家。

“2007年5月1日,我国首次在南海北部神狐海域成功钻获天然气水合物实物样品,证实该区域蕴藏了丰富的天然气水合物资源,我国成为继美国、日本、印度之后第四个通过国家级研发计划采到实物样品的国家,标志着我国在该领域的调查研究水平步入世界先进行列。 ”孙致学说,中国海陆域可燃冰资源潜力巨大,基于我国可燃冰勘查开发现状,我们一方面应坚持海陆域可燃冰勘查开发并举的战略规划长期不变,发挥中国陆域冻土区资源和地理优势,加强国际水合物开采技术的交流与合作,加快本土冻土区水合物的试开采试验,争取在开采工艺上有所突破和创新,总结出适用于冻土区水合物经济可行的开采方法,进一步为海域可燃冰商业开发提供经验和技术。在开采技术方面的自主创新将会成为中国参与极地水合物开发的一个很好的介入点。

可燃冰可作为未来洁净新能源

“天然气水合物作为未来的一种洁净能源,是一种燃烧热值更高、污染更小更清洁、更方便利用的新型潜力能源。 ”孙致学说,燃烧热值是指物质与氧气进行燃烧反应时放出的热量。它一般用单位质量或体积的燃料物质在燃烧时放出的能量来进行计量。在日常生活中常见的燃料有汽油、柴油、酒精、木材、煤、天然气等,而以甲烷为主的天然气水合物的燃烧值很高,是我国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,天然气水合物可以通过冷却、压缩处理成液化天然气,从而做到所占空间更小,不管是管道运输还是交通运输都更方便。

此外,记者还了解到,燃烧后,可燃冰仅会生成少量的二氧化碳和水,污染比煤、石油、天然气小很多,但能量高出十倍。

记者 徐栋 通讯员 杨安

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大国都看上了可燃冰

可燃冰是一种有重大战略意义的未来能源。“目前全球生产模式主要依靠的传统化石能源总会耗尽,而可燃冰可能大大延长这个时间,为人类开发新能源提供缓冲。 ”中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员袁岚峰说。

大国竞相探索

可燃冰的优点吸引了全球大国竞相研究开采手段。除了中国,美国和日本也在尝试开采可燃冰。

美国能源部下属的国家能源技术实验室12日宣布,正与得克萨斯大学奥斯汀分校等机构合作,于5月在墨西哥湾深水区开展可燃冰开采研究,11日已经开始了一次钻探。

日本经济产业省资源能源厅4日宣布,日本石油天然气金属矿物资源机构成功从日本近海海底埋藏的可燃冰中提取出甲烷。此次试验开采海域位于爱知县和三重县附近的太平洋近海,估计该海域拥有的可燃冰储量达1.1万亿立方米,是日本天然气年消费量的约10倍。

这是日本第二次开采可燃冰。2013年,日本尝试过开采海底可燃冰并提取了甲烷,但由于海底砂流入开采井,试验仅6天就被迫中断。本次试验持续12天后也因出砂问题中断,未能完成原计划连续三四周稳定生产的目标,12天产气量只有3.5万立方米。

中国成果领先

中国此次试采可燃冰成功,也是世界首次成功实现资源量占全球90%以上、开发难度最大的泥质粉砂型天然气水合物安全可控开采。截至18日,本次试采连续产气超过一周,最高日产量3.5万立方米,累计产气12万立方米。

“有专家认为,从科学到技术创新要经历知其然(发现现象)、知其所以然(理论理解)、造其然(技术上可行)、利其然(经济上可行)的4个阶段。中国这次突破的意义,就是让利用可燃冰达到了‘造其然’的阶段。 ”袁岚峰说。

但是袁岚峰也表示,可燃冰要商业化还有许多障碍,比如降低开采成本、降低环境影响等。

尽管大规模利用可燃冰还需等待,但终会有到来的那一天,“届时可能对整个人类都有巨大战略意义。 ”袁岚峰说。 据新华社

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