一、引言
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“可燃冰”天然氣水合物及其利用

更新時(shí)間:2010/8/30  來源:中國燃?xì)庠O(shè)備網(wǎng)  [收藏此信息]

 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亲匀恍纬傻模鼈冏畛鮼碓从诤5椎募(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蓖饷蚕裱,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)驈U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),于是各國相繼投入巨額經(jīng)費(fèi)對其進(jìn)行研究。經(jīng)過世界各國政府和科學(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采,世界上至今都沒有完美的開采方案,這主要是因?yàn)殚_采這種水合物會(huì)給生態(tài)帶來一系列嚴(yán)重問題。因?yàn)樘烊粴馑衔镏写嬖谥鴥煞N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,這些問題并不是不能克服的,從技術(shù)角度來看,己完全不是問題。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。我國科技界也已開始進(jìn)行類似的模擬試驗(yàn),并取得了初步成功。
    因此,天然氣水合物的開發(fā)利用就像是一柄“雙刃劍”,需要小心謹(jǐn)慎地對待,在考慮其資源價(jià)值的同時(shí),必須充分注意到有關(guān)開發(fā)利用將給人類帶來重環(huán)境災(zāi)難。
    四、“可燃冰”的利用
    “可燃冰”的利用,除直接開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,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;
  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 原來的1/160左右所帶來的便利相比(且不談高價(jià)的儲(chǔ)存運(yùn)輸設(shè)備及帶來的相應(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”。但從長遠(yuǎn)來看,在我市以至全國大量的大型污水處理廠建立起來以后,則應(yīng)該說是具有一定價(jià)值的。實(shí)際上,我國燃?xì)饨缫惨验_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)手開始此項(xiàng)工作,并已開始對此類燃?xì)庑录夹g(shù)開
  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】可燃冰的開采方案  
  可燃冰開采方案主要有三種。
  ◆方案一熱解法
  利用。?扇急诩訙貢r(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題。
    ◆方案三一一置換法
    研究證實(shí),將C02液化(實(shí)現(xiàn)起來很容易),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。
    但如果“可燃冰”在開采中發(fā)生泄露,大量甲烷氣體將分解出來,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,開采必須要受控,使釋放出的甲烷氣體都能被有效收集起來海底可燃冰的開采涉及復(fù)雜的技術(shù)問題,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)開采。其實(shí),中國、美國、加拿大、印度、韓國、挪威和日本己開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)開采,美國近年也急起直追,希望在2015年在海床或永久凍土帶進(jìn)行商業(yè)開采。
    可見,“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)。
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