天然气水化合物前沿研究(文献综述)VIP

1 单位代码 学 号 1224150173 分 类 号 密 级 论文 文献综述文献综述 院院 系系 名名称称化学化工学院化学化工学院 专专业业名名称称化学工程与工艺化学工程与工艺 学学生生姓姓名名 smhsmh 指指导导教教师师李西营李西营 2013 年年 1212 月月 2222 日日 2 天然气水化合物前沿研究天然气水化合物前沿研究 摘要摘要 天然气水合物又称 可燃冰 是公认的 21 世纪替代能源和清洁 能源 开发利用潜力巨大 越来越多的科学家相信 未来洁净能源的最大一部 分也许就藏在海底或高纬度永冻区 由于它的开发可能带来许多不可预测的风 险 所以前期调查工作更为重要 可燃冰开采过程中存在难点问题 减压法和 综合法是现有水合物开采技术中经济前景比较好的开采技术 关键词 天然气水合物 现状 趋势 问题 一 一 概述概述 现在地球能源危机成为大家遇到巨大困难之一 能源的争夺成为引发国家 之间战争的重要因素 于是可燃冰作为一类非常规天然气资源 它的开采利用 就显得十分重要 天然气水合物的定义 小分子气体 如甲烷至丁烷 氮 氧 二氧化碳 硫化氢等 和水在适当温度和压力下接触后形成的以甲烷为主 90 的笼状水合物 又叫 可燃冰 或 甲烷水合物 1 2 3 据估算全 球的天然气水合物的储量约为 2 1016m3 成为剩余天然气储量的 136 倍 世界 上天然气水合物所含的有机碳的总量 相当于全球已知煤 石油和天然气总量 的 2 倍 而且分布状况很均匀 几乎遍布全球的各大洲 其主要成分是甲烷 燃烧后几乎没有污染 是一种绿色的新型清洁能源 根据我国海洋地质调查部 门的调查 发现南海北部具有良好的可燃冰资源前景 并将南海可燃冰富集规 律与开采基础研究纳入了 973 计划 标志着中国对替代能源可燃冰重大基础研 究已全面展开 目前 对可燃冰的研究发展已经引起了各国政府和能源专家的 广泛关注 二 二 天然气水化合物天然气水化合物 天然气水合物 主要成分是甲烷与水分子 是由天然气与水在高压低温条 件下结晶形成的具有笼状结构的似冰状结晶化合物 气体分子多以甲烷为主 90 所以也被称为甲烷水合物 Methane Hydrates 天然气水合物与天 然气的成分相近似 且更为 纯净 简单地说 天然气水合物就是天然气 甲 烷类 是细菌分解有机物和原油热解时所产生的 被包进水分子中 在海底低 温和很高压力下形成的一种冰状的固态晶体 纯净的天然气水合物呈白色 形 3 似冰雪 可以像固体酒精一样直接被点燃 因此 又被形象地称为 可燃冰 具体地来说 其结构就是若干个水分子一般通过氢键合成为多面体笼子 每一个笼子中包含有一个客体的天然气分子 还可以是二氧化碳 氮气 硫 化氢等小分子气体 它们被统称为气水化合物 其形成有两条途径 一是气候 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 物与地壳中的水形成气 水结合的矿层 二是由于海洋里大量的生物和微生物 死亡后留下的遗尸不断沉积到海底 并分解成甲烷 乙烷等有机气体 有机气 体钻进海底结构疏松的沉积岩微孔 与水形成笼状包合物 是在独特的低温 高压条件下形成的一个甲烷分子周围若干个水分子固态凝聚物 其分子结构复 杂 其化学成分不稳定 可用 M H20 表示 M 表示水合物中的气体分子 n 为水分子数 4 5 6 三 三 天然存量 分布 利用前景天然存量 分布 利用前景 目前 全球天然气水合物分布明显呈现受地理格局控制的特点 主要存在 于世界范围内的沟盆体系 陆坡体系 边缘海盆陆缘 尤其是与泥火山 热水 活动 盐泥底辟及大型断裂构造有关的深海盆地中 另外还包括扩张盆地和北 极地区的永久冻土区 大西洋的 85 太平洋的 95 和印度洋的 96 的地区 中也含有天然气水合物 并且主要分布于海平面下 200 600 m 的深度内 目前 世界上有 79 个国家和地区都发现了天然气水合物气藏 各国科学家对 全球天然气水合物资源量较为一致的评价为 2 1016m3 是剩余天然气储量 156 1014m3 的 128 倍 7 据第 28 届国际地质大会提供的资料显示 海 底有大量存在的天然气水合物 可满足人类 1 000 年的能源需要 同时 我国 对可燃冰的重大基础研究也已全面展开 主要分布在南海海域 东海海域 青 藏高原冻土带以及东北冻土带 仅南海北部陆坡的可燃冰资源量就达 185 亿 t 油当量 相当于南海深水勘探已探明的油气地质储备的 6 倍 并且已经在南海 部神狐海域获取了天然气水合物的岩心样品 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 8 四 四 可燃冰与地质 气候 全球变暖可燃冰与地质 气候 全球变暖 甲烷是一种很强的温室气体 尽管它在大气中的生命周期大约 12 年 但 20 年后所产生全球暖化潜势 GWP 值可达 62 甚至 100 年后仍有 21 的数值 在甲 烷包合物矿床内 大量的天然气从中瞬间释放的现象 有科学家们假设这会导 4 致像过去和未来可能发生的气候变化 与此现象相关的事件有二叠纪 三叠纪灭 绝事件 以及古新世 始新世交替时期最大热量 天然气水合物还可能导致沉积物物理性质 如剪切强度和流变性等 地 球物理性质 如震波速和电导性 以及地球化学性质如孔隙流体成分的明显变化 物理性质的进一步变化可能引起海底滑塌和产生 温室效应 气体的排放 甲 烷是温室气体 对大气的暖化威力比二氧化碳强 23 倍 在人类活动中会产生 尤其在畜牧业的生产过程中 会大量增加 甲烷同时是一种极易燃的气体 全 世界蕴藏着巨量的甲烷 其主要分布在西伯利亚沼泽 约有近 8 百亿吨 南北 极冰原 约蕴藏 5 千亿吨 及海底中 约有 2 5 10 兆吨 只要释放十分之一 就可毒害全人类及生物 自然界中常以甲烷水合物状态存在于海洋浅水生态圈 中 在海洋里 以高压及 18 C 的温度下 能维持稳定存在 全球暖化 会促使南北极永冻土及北半球湿地中的甲烷大量逸出 挪威大 气研究所在北极齐柏林监测站获得的初步数据表明 大气中的甲烷含量继 2007 年增加了 0 6 之后 2008 年再度增长 0 6 西伯利亚或者加拿大等地的永久冻结带一旦解冻 因甲烷本身就是温室气 体 将促使全球暖化加速 造成恶性循环 科学家们发现 有数以百万吨计的 甲烷气体 正从北极冰床底部及西伯利亚的永冻层中释放到大气中 在 6 亿 3 千 5 百万年前 就是因为大量的甲烷从冰层和海洋释放到大气中 导致严重的 暖化和物种灭绝 并造成超过 10 万年的混乱气候 9 五 勘探 开采 运输勘探 开采 运输 主要勘探方法有地球物理法 地球化学法 标型矿物法和自生沉积矿物学 法等 采用多学科综合勘探是天然气水合物勘探的发展方向 主要开采方法有加热法 减压法 添加化学物质法和 CO2 置换法 综合法 等 10 由于甲烷包合物比液化天然气还能够在较高的温度下 20 vs 162 C 保持稳定 因此有些人想到 也许借由航运船只 专门运送的液态瓦斯运输 船 运送时 可以将天然气转换成包合物态而不是液态 而且依此方式 由天 然气制造天然气水合物并不用像制造液态天然气那样需要在末端建置大型工厂 5 许多国家正在组织力量对天然气水合物资源进行勘探 加紧研究天然气水 合物的形成条件 组成 结构类型 赋存状态 展布规律 以及开采方法 和解决运输 使用间题 但是 与石油 天然气相比 开发海底下的天然气 水合物的难度比较大 其运输也要困难得多 特别是如何解决天然气水合物 低成本开发等技术难题 至今人们还拿不出一个完美的开采方案 也缺乏有 效的开采技术 目 前 专家正在研究利用双重结构管道的开采办法 此外 对这一巨大的潜在资源的开发还存在很多未知数 例如 1 未经燃烧的天然气水合物如果直接排人大气 会产生强烈的温室效应 等环境和技术障碍问题 2 海底开采易使周围的 可燃冰 固体流向空 缺的地方 形成滑坡 造成大陆架边缘动荡 引发海底塌方 导致灾难性海啸问题 3 对已有海底油气管线是否会造成威胁 4 是否会影响鱼的生长 5 是否会对航行造成危险 6 开采出来的天然气水合物怎样保持在高压 低温状态 等等 有人认为 生成天然气水合物需要相对低的温度和很高的压力 也许只 能在北极才能进行商业开采 也有人预计 天然气水合物作为一种 溢流气 体 大规模地进行商业开采有可能要到 2015 年才会开始 由此看来 天 然气水合物要真正成为人们日常所用的能源还有一段路程要走 六 六 商业化展望商业化展望 沉淀物生成的甲烷水合物含量可能还包含了 2 至 10 倍的目前已知的传统天 然气量 这代表它是未来很有潜力的重要矿物燃料来源 然而 在大多数的矿 床地点很可能都过于分散而不利于经济开采 另外面临经济开采的问题还有 侦测可采行的储藏区 以及从水合物矿床开采甲烷气体的技术开发 在日本 已进行一项研发计划 预计要在 2016 年进行商业规模的开采 2006 年八月 中国大陆宣布计划 耗资 8000 万元 1750 万美元 在未来的十年内研究天然 气水化合物 而另一个富潜力的经济储藏区于墨西哥湾 可能更包含了大约 1010 m3 的甲烷资源 目前有 4 个国家进行过可燃冰开采 美国 日本 印度 及中国 事实上世界有很多国家都有开采到可燃冰的记录 例如俄罗斯 加拿 6 大 韩国与台湾 11 12 13 七 七 总结总结 虽然天然气水合物的研究已有半个世纪 但是相比较化石能源 它的研究 才刚刚开始 目前 全球只有少数地区有天然气水合物的开采 在石油即将面 临枯竭的前提下 各个国家加大对天然气水合物的研究也将是必然的趋势 天 然气水合物是一种潜在替代能源 但它就像一柄双刃剑 开采技术方法得当 它就会成为人类 后石油时代 的重要替代能源 开采技术方法不得当 它就 会成为引发人类生存环境的杀手 为了减少开发可能带来的潜在风险 前期的 研究工作必不可少 参考文献参考文献 1 张立新 徐学祖 马巍 青藏高原多年冻土与天然气水合物 J 天然气地球 科学 2001 12 1 2 姚伯初 昊能友 天然气水合物 石油天然气的未来替代能源 J 地学前 缘 2005 12 1 3 孙艳超 天然气水化合物的研究现状 J 城市建设理论研究 2012 5 4 周善元 21 世纪的新能源 天然气水合物 M 江西能源 2002 02 5 王智明 曲海乐 菅志军 中国可燃冰开发现状及应用前景 M 节能 2010 5 6 罗艳托 朱建华 陈光进 替代石油的能源 天然气水合物 7 邵仲妮 天然气水合物资源分布及勘探开发进展 J 当代石油石化 2007 15 5 24 26 8 张颖异 李运刚新型洁净能源可燃冰的研究发展 河北理工大学 9 Macdonald G T Role of methane Clathrares in past and future climates Clim Chang e 1990 1 6 24 7 28 1 10 江怀友 钟太贤 齐仁理 等 世界可燃冰勘探开发方兴未艾 J 石油 与装备 2009 1