《可燃冰的开发及应用前景》.doc

化学与人类文明课程论文 可燃冰的开发及应用前景学 院：机械工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化班 级：117班 学 号：1108030371 学生姓名：贾红鹏 电子信箱：30469879 2013年6月10日可燃冰的开发及应用前景摘要：随着化石燃料的短缺和其使用时产生的污染问题的加剧,人们对新能源的开发与利用日益重视起来。可燃冰，作为一种新型、绿色、清洁能源，被公认为21世纪替代能源之一。本文简单介绍了可燃冰这一新型能源，详细介绍了可燃冰的开发现状及开发利用中所遇到的困难，并浅析了可燃冰未来的开发及应用前景。关键词：可燃冰；开发；应用前景目前我国能源消费结构是以煤、石油、天然气等一些不可再生能源为主，随着这些能源的消耗，资源终会枯竭，并且这些能源所带来的环境问题也日趋严重，如火电厂、工业锅炉及民用锅炉向大气排放大量二氧化硫和氮的氧化物，温室气体等严重影响着环境。在此能源供求矛盾下，要想经济的持续稳步地增长，必须改变传统的能源消耗方式，寻找新能源，而作为洁净能源的可燃冰是一种重要的新型能源，具有开发利用的广阔前景。1 可燃冰的介绍“可燃冰” 又被称作 “固体瓦斯”和“气冰”，主要成分是甲烷与水分子，学名为“天然气水合物”(Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate)，又称“笼形包合物”(Clathrate)，它可用mCH4nH2O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，由气体或挥发性液体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质，外观像冰。由于可燃冰中通常含有大量甲烷或其它碳氢气体，因此极易燃烧，固被称为“可燃烧的冰”。其燃烧产生的能量比同等条件下煤、石油、天然气产生的多得多，而且在燃烧以后几乎不产生任何残渣或废弃物，污染比煤、石油、天然气等要小得多。组成天然气的成分如CH4，C2H6，C3H8，C4H10等同系物以及CO2，N2，H2S等可形成单种或多种可燃冰。形成可燃冰的主要气体为甲烷，对甲烷分子含量超过99的可燃冰通常称为甲烷水合物(Methane Hydrate)。在常温常压下它会分解成水与甲烷，因此“可燃冰”可以看成是高度压缩的固态天然气。“可燃冰”外表上看它像冰霜，从微观上看其分子结构就像一个一个“笼子”，由若干水分子组成一个笼子，每个笼子里“关”一个气体分子。2 可燃冰的形成条件形成可燃冰有三个基本条件：温度、压力和原材料。首先，低温。可燃冰在010时生成，超过20便会分解。海底温度一般保持在24左右；其次，高压。可燃冰在0时，只需30个大气压即可生成，而以海洋的深度，30个大气压很容易保证，并且气压越大，水合物就越不容易分解。最后，充足的气源。海底的有机物沉淀，其中丰富的碳经过生物转化，可产生充足的气源。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中生成。3 可燃冰的优点(1)埋藏浅。可燃冰矿藏赋存于海底以下0米1500米的沉积层中，而且多数赋存于自表层向下数百米（500米800米）的沉积层中；陆上，可燃冰矿藏一般距地表 200米2000米深处。(2)能量密度高。在标准状态下，可燃冰分解后气体体积与水体积之比为1641，能量密度是常规天然气的25倍，是煤的10倍。(3)洁净。它所含的杂质比常规天然气更少，燃烧后几乎不产生污染物质。(4)储量丰富。可燃冰蕴藏量巨大，是全球煤炭，石油，天然气总量的两倍，可满足人类未来1000年的能源需求。另外，可燃冰广泛存在于各个区域，在许多天体（如天王星、土星以及哈雷等慧星头部）及其卫星都存在可燃冰。 4 开采方法4.1 传统开采4.1.1 热激发开采法热激发开采法是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。这种方法经历了直接向可燃冰层中注入热流体加热、火驱法加热、井下电磁加热以及微波加热等发展历程。热激发开采法可实现循环注热，且作用方式较快。加热方式的不断改进，促进了热激发开采法的发展。但这种方法至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题，而且只能进行局部加热，因此该方法尚有待进一步完善。4.1.2 减压开采法 减压开采法是一种通过降低压力促使可燃冰分解的开采方法。减压途径主要有两种：(1)采用低密度泥浆钻井达到减压目的；(2)当可燃冰层下方存在游离气或其他流体时，通过泵出可燃冰层下方的游离气或其他流体来降低可燃冰层的压力。减压开采法不需要连续激发，成本较低，适合大面积开采，尤其适用于存在下伏游离气层的可燃冰藏的开采，是可燃冰传统开采方法中最有前景的一种技术。但它对可燃冰藏的性质有特殊的要求，只有当天然气水合物藏位于温压平衡边界附近时，减压开采法才具有经济可行性。4.1.3 化学试剂注入开采法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。这种方法虽然可降低初期能量输入，但缺陷却很明显，它所需的化学试剂费用昂贵，对可燃冰层的作用缓慢，而且还会带来一些环境问题，所以，对这种方法投入的研究相对较少。4.2 新型开采4.2.1 CO2置换开采法这种方法首先由日本研究者提出，方法依据的仍然是可燃冰稳定带的压力条件。在一定的温度条件下，可燃冰保持稳定需要的压力比CO2水合物更高。因此在某一特定的压力范围内，可燃冰会分解，而CO2水合物则易于形成并保持稳定。如果此时向可燃冰藏内注入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。4.2.2 固体开采法固体开采法最初是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。这种方法进而演化为混合开采法或称矿泥浆开采法。该方法的具体步骤是，首先促使可燃冰在原地分解为气液混合相，采集混有气、液、固体水合物的混合泥浆，然后将这种混合泥浆导入海面作业船或生产平台进行处理，促使可燃冰彻底分解，从而获取天然气。5 可燃冰开采中的环境问题可燃冰的开采会改变可燃冰赖以赋存的温压条件，引起可燃冰的分解。在可燃冰的开采过程中如果不能有效地实现对温压条件的控制，就可能产生一系列环境问题，如温室效应的加剧、海洋生态的变化以及海底滑塌事件等。(1)甲烷作为强温室气体，它对大气辐射平衡的贡献仅次于二氧化碳。一方面，全球可燃冰中蕴含的甲烷量约是大气圈中甲烷量的3000倍；另一方面，可燃冰分解产生的甲烷进入大气的量即使只有大气甲烷总量的0.5 % ，也会明显加速全球变暖的进程。因此，可燃冰开采过程中如果不能很好地对甲烷气体进行控制，就必然会加剧全球温室效应。另外，甲烷的温室效应比二氧化碳要大21倍，且甲烷对温室效应的 “贡献”占到15%。在开采可燃冰过程中，如果向大气中排放大量甲烷气体，这必然会进一步加剧全球的温室效应，极地温度、海水温度和地层温度也将随之升高。这会引起极地永久冻土带之下或海底的可燃冰自动分解，大气的温室效应会进一步加剧。因此，可燃冰与温室效应有着的密切的联系。(2)海洋环境中的可燃冰开采还会带来更多问题。一旦开采不当，进入海水中的甲烷将会影响海洋生态。甲烷进入海水中后会发生较快的微生物氧化作用，影响海水的化学性质。甲烷气体如果大量排入海水中，其氧化作用会消耗海水中大量的氧气，使海洋形成缺氧环境，从而对海洋微生物的生长发育带来危害。进入海水中的甲烷量如果特别大，则还可能造成海水汽化和海啸，甚至会产生海水动荡和气流负压卷吸作用，严重危害海面作业甚至海域航空作业。(3)开采过程中可燃冰的分解还会产生大量的水，释放到岩层孔隙空间，使可燃冰赋存区地层的固结性变差，引发地质灾变。海洋可燃冰的分解还可能导致海底滑塌事件。近年的研究发现，因海底可燃冰分解而导致陆坡区稳定性降低是海底滑塌事件产生的重要原因。钻井过程中如果引起可燃冰大量分解，还可能导致钻井变形，加大海上钻井平台的风险。6 可燃冰的发展前景6.1 可燃冰能缓解能源危机中国从1993年开始变为原油进口国,预计2020年原油进口将达2亿t，并且煤，石油，天然气这三大化石能源如今已经出现短缺状况，因此开发可燃冰迫在眉睫。目前已有30多个国家和地区正在勘测和试开采,预计2015年以后部分地区可能实现大规模的商业开采。中国可燃冰储量巨大,尽早实现其储量勘察及商业开采对于缓解能源危机具有重要意义。6.2 开采成本高巨大经济社会效益和严重的资源短缺激发人们对可燃冰的强烈征服渴望,但海底可燃冰的开采仍面临复杂的技术问题，以及巨大的开采输送设备投入,目前中国南海开采费用达200美元/m3,折合成天然气达1美元/m3,而天然气本身开采只有1元/m3,所以目前可燃冰的开采仍在发展阶段，估计需要10至30年的时间才能投入商业开采。6.3 环境因素的制约 从生态环境的角度来看，如果大规模的开发可燃冰，将会导致海洋及大气环境的变化，如果能够有效地控制这种影响，可燃冰的开发并将造福人类。然而，如果开采不当造成环境问题加剧，势必会造成巨大灾难。综上所述，在没有解决开发可燃冰对自然界环境的影响以及开发技术成本等问题之前，它还不能像常规一次性矿产资源那样被大量开采。但随着常规能源的日益减少和科学技术的发展，可燃冰作为庞大的能源储备在人类社会的发展过程中必将发挥重要的作用。可见，“可燃冰”带给人类的不仅是新的希望，同样也有新的困难，只有合理的、科学的开发和利用，“可燃冰”才会真正的为人类造福。 参考文献1 胡春,裘俊红;可燃冰的结构性质及应用J;天然气化工(化学与化工);2000年04期。2 吴学平。可燃冰：21