能源新秀可燃冰(中学化学2011.4期)

发表期刊 中学化学 2011 年第 4 期 能源新秀可燃冰能源新秀可燃冰 小冰块大能量 湖北襄樊东风中学 441004 但世辉 陈莉莉 在浩瀚的大西洋中 有一个百慕大三角 在这个海域 自上个世纪以来 多次出现过 船只和飞机神秘失踪的事件 许多人把百慕大与 UFO 金字塔 尼斯湖水怪等列为世界 10 大未解之谜 且关于百慕大之谜的猜测也是形形色色 有人说这是外星人 有的说这是黑 洞 最近 科学家认为百慕大之谜可能与海底一种叫做可燃冰的东西有关 这种猜想更 是将世人目光聚焦到了这些小小的 冰块 上 一 可燃冰简介一 可燃冰简介 1 可燃冰的结构与性质 可燃冰 CH4 8H2O 又称甲烷水合物 是一种冰状白色固态晶体 像石蜡遇热未融 化前的样子 洁白而柔软 水分子一般通过氢键合成多面体笼 笼中包含有客体的天然气 分子 这种笼型结构具有很强的 浓缩 吸附 气体的能力 可以吸收甲烷 二氧化碳 和硫化氢之类的小分子 还有的结构会形成更大的 洞穴 足以容纳较大 的碳氢化合物分子 这种 结构及吸附能力致使可燃 冰是其它非常规气源岩 如煤层 能量密度的 10 倍 是常规天然气能量密度的 2 3 倍 据科学家估算 标准状况下 1 立方米可燃冰中能储存多达 16 立方米的气态甲烷 另外 可燃冰的燃烧值高 清洁无污染 燃烧后几乎不产生任何废弃物 并且 SO2产生量比燃烧 原油或煤低 2 个数量级 科学家估计 海底蕴含的可燃冰储量可够人类使用 100 年以上 因此 可燃冰被称为 21 世纪能源 或 未来能源 2 可燃冰的形成与存在 关于可燃冰的形成 按美国科学家的说法 它是海洋微生物和海底油气在海洋板块作 用下的产物 因此 占可燃冰总量 2 3 的海底可燃冰是由生活在海床下微生物构成的 那 里没有氧气 一片黑暗 亿万年来 无以数计的微生物从不停歇地制造出甲烷 另外 当 海洋板块下沉时 海底油气随板块边缘喷涌而出 在接触到冰冷的海水时天然气与海水发 生化学作用 日积月累 在高压低温的作用下就形成了浩瀚厚实的可燃冰 像地毯一样沉 睡在海底 因此 不难得出 可燃冰的形成需要具备三个基本条件 温度不能太高 在 0 以上可形成 0 10 为宜 压力要够但不能太大 30 个大气压以上即可形成 地 底要有气源 随着海底大量可燃冰的发现 有科学家开始用可燃冰解释百慕大之谜 在百慕大三角 洲底存在大量可燃冰 根据其形成条件可知 可燃冰在压力减小 温度升高的条件下就可 以融化成 164 倍于自己体积的甲烷气体 大量甲烷气体大面积 常年不断地从海底冒出 混在海水中 像充满泡沫的啤酒一样 使得海水的密度大大地下降了 按通常海水密度设 计的船只开到这种海域 因为浮力减小自然下沉 另外气流的上升必然使平静的海面产生 惊涛巨浪 过往的船只往往在一瞬间被掀翻 由于事发突然 往往来不及发出求救信号便 船没人亡了 当然 科学家的这种猜测尚待用更多的科学依据加以证明 二 可燃冰的分布与储量二 可燃冰的分布与储量 可燃冰分布的最大的一个区域是海底大陆架斜坡 主要分布在东 西太平洋边缘和西 大西洋边缘 此外 东大西洋边缘和印度洋有小量发现 中北美洲沿岸发现最多 这里的 温度一般保持在 2 4 左右 30 个大气压也很容易形成 并且气压越大越不容易分解 另 外 海底动植物残骸腐烂时分解能释放出甲烷 也便形成了气源 据研究 海底可燃冰分 布的范围约 4 107km2 占海洋总面积的 10 深度数百到数千米不等 全球海底可燃冰总 储量高达 2 1016立方米 相当于全世界已知煤 石油 天然气含碳量总和的 2 倍以上 据探查估算 美国东南海海岸外的布莱克海岭 可燃冰资源量多达 180 亿吨 可满足美国 105 年的天然气消耗 日本海及其周围可燃冰资源可供日本使用 100 年以上 我国探测表 明 仅南海北部的可燃冰储量就已达到我国陆上石油总量的一半左右 此外 西沙海槽已 初步圈出可燃冰分布面积 5242 平方公里 其资源估算达 4 1 万亿立方米 根据可燃冰的形成理论 可燃冰是否只存在于海底呢 其实 也有可能形成可燃冰的 区域是高纬度的冻土层 主要位于极地冰川冰土带和冰雪融冻结岩 这里气候寒冷致使矿 层温度下降 加上地层的高压力 使原来分散在地壳中的碳氢化合物气体和地壳中的水形 成气 水结合的矿层 可燃冰 比如在美国的阿拉斯加 俄罗斯的西伯利亚均已发现了可 燃冰 由于温度 压强和气源的影响 海洋中发现可燃冰数量与规模比陆地上大 大洋水域 的 90 是可燃冰的潜在区 而只有大约 27 的陆地可能有可燃冰的存在 三 可燃冰的开采三 可燃冰的开采 1 可燃冰的开采思路 目前 各国对可燃冰的开采主要有两种思路 其一 传统开采法 与传统油气开采相结合 通过降压 注热 注化学试剂以及二氧 化碳的方法 将可燃冰在海底分解为气体 然后输导至海平面 其具体方法主要有热解法 降压法和置换法 3 种 表 1 3 种传统开采法介绍 方法热解法降压法置换法 原理 利用可燃冰在受热时分解 的特性 使其由固态分解 出 CH4气体 利用核辐射 效应使可燃 冰分解 将 CO2注射入海底的甲烷水合物储 层 因 CO2较甲烷更易形成水合物 便将甲烷置换出来 优点海底以上的技术可以直接采用现有的油气开采技术 缺点 由于海底的多孔介质不是集中为 一片 而是均匀分布 因此存在布设管道和高 效收集甲烷气的问题 另外 需注入大量能量式化学物质 可能带来环境危害 目前 对可燃冰的试开采中 往往采用热解法 一般先开凿一口 1200 米深的钻井 直通到可燃冰层 然后注入温水 让可燃冰溶于温水中 抽回地面进行分离即可 其二 固体开采法 即将可燃冰以固体形态输送到海底 进行初步泥沙分离后采用固 夜 气三相输送技术将固态可燃冰及输送过程中分解出来的气体送到海面 然后利用海 面的高温水对可燃冰进行分解 收集并通过管道输送 与传统开采法相比 虽然固体开采效率很高但其与现有油气开采技术差别较大 需要 全面开发新技术 难度较大 2 可燃冰开发面临的障碍 2 1 开发成本过高 美国和日本是开展可燃冰海洋调查最早的国家 就其开发规划进行计算 可燃冰勘探 的研究成本高达 200 美元 立方米 根据每立方米可燃冰释放能量相当于 170 立方米天然气 来计算 其折合天然气成本达到每立方米 9 元左右 这跟国内天然气造价每立方米 2 元左 右相比 简直天上地下 造成海洋可燃冰开采成本过高的原因在于可燃冰的分布相对不稳 定 不像油气田 厚度可达上百米 面积达几十公里 另外 如表 1 所述 使用较多的传 统开采法涉及管道铺设问题 这些辅助工程设施费用也相当高 2 2 技术力量薄弱 除了高昂的开采成本外 可燃冰的开发利用目前还面临许多技术瓶颈 如可燃冰的形 成机理及时空分布 分解条件及环境效应 储运技术等 专家指出 对海底水合物而言 关键的问题是找到水合物密集的矿藏 在不破坏海床稳定性的前提下进行开发 但到目前 为止 对于可燃冰的钻探 开采和集输技术的研究尚不多见 还没有形成成熟的技术体系 倘若技术不成熟就盲目开采 又会导致更严重的问题 2 3 环境问题突出 由于甲烷是绝大多数可燃冰的主要成分 据统计 可燃冰中甲烷的总量大致是大气中 甲烷数量的 3000 倍 作为短期温室效应气体 在全球气候变暖方面 甲烷所起的作用比二 氧化碳要大 10 20 倍 而可燃冰非常不稳定 一旦从海底升到海面就会分解放出甲烷气体 造成甲烷气体的大量散失 无疑会增加温室效应 后果不堪设想 另外 可燃冰经常作为沉积物的胶结构存在 它对沉积物的强度起着关键作用 可燃 冰的形成和分解能够影响沉积物的硬度 进而诱发海底滑坡 海啸 海水毒化等灾害 还 记得 8000 年前挪威海岸附近发生的那起山崩吗 它的爆发点是大陆斜坡中段 位于一层多 孔的弱沉积带 然后迅速向大陆传播 从海底深处冒出的碎石块有四五层楼高 300 多千 米长 10 多千米宽 50 米高的海底泥沙顺着斜坡滑下去 有 1600 多立方千米的沉积物和 岩石被移位 在近五万千米的海域内 就像洪水泛滥后的街道 到处是淤泥与杂物 海床 上一切生物无一幸免 后来 科学家证明 这次山崩的罪魁祸首便是可燃冰 由此可见 可燃冰在作为未来新能源的同时 也存在着巨大的威胁 需小心对待 四 可燃冰的研究现状与应用前景四 可燃冰的研究现状与应用前景 由于能源的日益紧缺 迄今为止世界上至少有 30 多个国家和地区在进行可燃冰的研 究 走在最前列的当属美国 1981 年美国政府投入 800 万美元制定了可燃冰 10 年研究计 划 1998 年又把可燃冰作为国家发展的战略能源计划列入长远计划 每年投入 2000 万美 元 截止目前 美国在大西洋海域 450 个点完成 700 个钻孔 同时进行了 80 次深海钻探 不仅对自己 连全世界可燃冰的概况也通盘掌握 只因种种担忧 美国没有立刻开发 害 怕引发环境问题 可能就是首要原因 研究进展最快的当属日本 由于日本的油气资源十分匮乏 当得知自己周边有 4 20 万亿立方米的可燃冰储量可供使用 100 年时 日本立刻制定了庞大的开发计划 在日本南 海相继挖掘 10 20 口气井 计划 2015 年生产 与发达国家相比 我国对可燃冰的调查研究晚了近 30 年 起始于上世纪 90 年代后半 期 1996 1998 年属于前期研究阶段 1999 2001 年为预调查阶段 2002 年以来为专项 调查 钻探阶段 综合资料表明 我国南海陆坡和陆隆区应有可燃冰资源量达 643 5 772 2 亿吨油当量 大约相当于我国陆上和近海石油天然气总资源量的 1 2 另外 南海北部西沙海槽天然气水合物存在面积也较大 台湾省东南和西南海底也发现了可燃冰 从 2005