未来的新能源 可燃冰

陆地可燃冰

海底可燃冰

　　何建军

　　2013年3月12日，日本经济产业省宣布，成功从爱知县附近深海可燃冰层中提取出甲烷，宣称日本成为世界上首个掌握海底可燃冰采掘技术的国家，人类对可燃冰这种新兴能源的开发又前进了一步，并称可燃冰在日本附近海域分布广泛，埋藏量足够日本使用100年。消息一出，立刻在全球范围内引发了可燃冰热潮，那么可燃冰究竟是什么东西呢？

　　A 可燃冰像“冰”但“可燃”

　　可燃冰就是天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate），是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等）下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的结晶化合物。它分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，被称作可燃冰，或“固体瓦斯”和“气冰”。

　　可燃冰是天然气分子（烷类）被包进水分子中，在海底低温与压力下结晶形成的，其成分可用mCH4·nH2O来表示，m代表水合物中的气体分子，n为水合指数（也就是水分子数）。可燃冰的形成需三个基本条件：温度、压力和原材料。在0℃附近温度生成，但超过20℃便会分解，海底温度一般保持在2～4℃左右；在一定深度的海洋，能具备可燃冰形成的30个大气压，并且气压越大，水合物就越不容易分解；海底的有机物沉淀，其中丰富的碳经过生物转化，可为可燃冰的形成提供充足原材料。海底的地层是多孔介质，在温度、压力、气源三者都具备的条件下，可燃冰晶体就会在介质的空隙间生成。

　　B 可燃冰是未来世界能源的新希望

　　可燃冰里甲烷占80%～99.9%，其成分与日常使用的天然气成分相近，且更为纯净，可直接点燃，燃烧后几乎不产生残渣，去污染比煤、石油、天然气都要小得多。可燃冰同时又是一种新型高效能源，能量密度非常高，约为煤炭的10倍，1立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水，是一种重要的潜在优质能源。可燃冰开采时只需将固体的可燃冰升温或减压就可释放出大量的甲烷气体，使用十分方便，被誉为21世纪具有商业开发前景的战略资源。

　　可燃冰在世界范围内广泛存在，地球上大约有27%的陆地具备形成可燃冰条件，在世界大洋水域中约有90%的面积也属这样的潜在区域。已发现的可燃冰主要存在于北极地区的永久冻土区和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中，由于其非渗透性，可燃冰常常可以作为其下层游离天然气的封盖层。由于采用的标准不同，不同机构对全世界可燃冰储量的估计值差别很大，比较一致的评估认为储存在可燃冰中的碳至少有1×1013吨，约是当前已探明的所有化石燃料（包括煤、石油和天然气）中碳含量总和的2倍，科学家估计，海底可燃冰的储量至少够人类使用1000年。

　　中国是“可燃冰”资源储量最多的国家之一。2009年9月中国地质部门公布，在我国青藏高原发现了可燃冰层，据粗略的估算，远景资源量至少有350亿吨油当量，这是中国首次在陆域上发现可燃冰，这使中国成为加拿大、美国之后，在陆域上通过国家计划钻探发现可燃冰的第三个国家。我国南海西沙海槽、台湾西南陆坡、南沙海槽、冲绳海槽海底可能存在大量的甲烷水合物资源，据测算，中国南海可燃冰的资源量约为700亿吨油当量。

　　C 可燃冰开采人类探索的新脚步

　　1960年，前苏联在西伯利亚发现了可燃冰，并于1969年投入开发；美国于1969年开始实施可燃冰调查，1998年把可燃冰作为国家发展的战略能源列入国家级长远计划；日本开始关注可燃冰是在1992年，完成周边海域的可燃冰调查与评价；2000年开始，可燃冰的研究与勘探进入高峰期，世界上至少有30多个国家和地区参与其中。2007年，中国在南海北部成功钻获天然气水合物实物样品“可燃冰”，从而成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。

　　目前研究开发了的可燃冰开采技术主要有以下几种：

　　(1) 热激发开采法。直接对可燃冰层进行加热，使可燃冰层的温度超过其平衡温度，从而促使可燃冰分解为水与天然气的开采方法。

　　(2) 减压开采法。通过降低压力促使可燃冰分解的开采方法。

　　(3) 化学试剂注入开采法。通过向可燃冰层中注入某些化学试剂，如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等，破坏可燃冰藏的相平衡条件，促使可燃冰分解。

　　(4) CO2置换开采法。在一定的温度条件下，CO2水合物保持稳定需要的压力比可燃冰低，向可燃冰藏内注入CO2气体，CO2气体就可能与可燃冰分解出的水生成CO2水合物，这种作用释放出的热量可使可燃冰的分解反应得以持续地进行下去。

　　(5)固体开采法。直接采集海底固态可燃冰，将可燃冰拖至浅水区进行控制性分解。

　　D 我国成功研制国际领先的可燃冰保真取样器

　　虽然日本宣称可燃冰的开采技术取得重要进展，但可燃冰在给人类带来新的能源前景的同时，对人类生存环境也提出了严峻的挑战。天然气水合物藏的开采会改变它赖以赋存的温度、压力条件，引起可燃冰的分解，因此，在可燃冰的开采过程中如果不能有效实现对温压条件的控制，就可能引发一系列环境问题，如温室效应的加剧、海洋生态的变化以及海底滑塌等。科学家们认为，这种矿藏哪怕受到最小的破坏，甚至是自然的破坏，就足以导致甲烷气的大量散失，而事实上，世界上至今还没有完美的开采方案。

　　天然可燃冰呈固态，不会像石油开采那样自喷流出。如果把它从海底一块块搬出，在从海底到海面的运送过程中，甲烷就会挥发殆尽，同时还会给大气造成巨大危害。可燃冰中的甲烷，其温室效应为CO2的20倍，温室效应造成的异常气候和海面上升正威胁着人类的生存。全球海底可燃冰中的甲烷总量约为地球大气中甲烷总量的3000倍，若有不慎，让海底可燃冰中的甲烷气逃逸到大气中去，将产生无法想像的后果。而且固结在海底沉积物中的水合物，一旦条件变化使甲烷气从水合物中释出，还会改变沉积物的物理性质，大大地降低海底沉积物的工程力学特性，使海底软化，从而引发大规模的海底滑坡，毁坏海底工程设施，如：海底输电或通讯电缆和海洋石油钻井平台等。

　　缺少成熟可靠的贮存运输方法也是可燃冰商业开采面临的难题，可燃冰在常压下不能稳定存在，温度超过20℃时就会分解，目前各国还在加紧研究大规模储存和运输相关技术和设施。

　　中国科技工作者在2006年初成功研制出具有自主知识产权的可燃冰保真取样器，该取样器在当年多次海上试生产中均获得成功，其性能安全可靠，达到国际同类设备的领先水平。我国于2011年启动了为期3年的对可燃冰成矿规律的新一轮研究。2012年5月，我国第一艘自行设计的可燃冰综合调查船“海洋六号”，深入南海北部区域，开始了新一轮勘探开发之旅，我们坚信可燃冰这个神秘而美好的未来新能源将会以崭新的姿态来到我们身边，造福全人类。

　　（作者系长沙理工大学能源与动力工程学院副教授）

　　本版图片除署名外均为何建军供图

(来源:长沙晚报)