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      燃燒吧,能源水晶!

      2014-04-29 00:44:03橡樹村
      初中生學習·低 2014年6期
      關鍵詞:沉積層可燃冰甲烷

      橡樹村

      可燃冰,學名“天然氣水合物”,同時還有一個優(yōu)雅的名字——“能源水晶”。在高壓、低溫條件下,天然氣與水混合便會產(chǎn)生結(jié)晶化合物,形似冰雪,點火即燃。

      深藏于陸地凍土和海底的可燃冰,因具有分布廣、資源量大和能量密度大的先天優(yōu)勢,被人們稱之為“未來最佳替代能源”。業(yè)界還流傳著這樣一句話:“誰掌握了天然氣水合物的開采技術,誰就可以執(zhí)21世紀世界能源之牛耳?!?/p>

      橫空出世,炙手可熱

      上世紀60年代,蘇聯(lián)科研人員在西伯利亞發(fā)現(xiàn)了一個奇特天然氣田,在地下常規(guī)氣田上面的永久凍土層里,有一種可以燃燒的冰。這是人類首次在自然界發(fā)現(xiàn)可燃冰資源。

      固體可燃冰里藏有相當于自身體積近兩百倍的天然氣。如果可燃冰能保持固體狀態(tài)被開采出來,就為遠途運輸天然氣提供了一個新思路。很多天然氣資源遠離市場,因此輸送天然氣通常很不方便,須耗巨資鋪設管道,或在低溫高壓條件下液化天然氣并用昂貴的專用船只運送,對于產(chǎn)地附近的基礎設施也有不少要求。而能量密度增加將近兩百倍的可燃冰運輸起來就方便不少。即便開采后難以使可燃冰保持固體狀態(tài),其蘊藏的天然氣也是重要的化石能源。

      美國立刻對這個發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)出興趣,開始在自己的極地凍土帶尋找可燃冰,很快就在阿拉斯加尋獲豐富的可燃冰。但此后的詳細調(diào)查顯示,更多的可燃冰資源在海底。世界上有永久凍土的國家很有限,但掌握海疆的國家為數(shù)不少。這個發(fā)現(xiàn)立刻讓諸多國家眼前一亮,加拿大、日本、印度等國隨即開始勘探研究。我國在2000年后積極加入這一行列,不僅在青藏高原永久凍土層發(fā)現(xiàn)了豐富的可燃冰資源,還在南海北部找到了品級很高的可燃冰,并組織專業(yè)人員進行開采及應用研究,計劃于2020年試采,2030年后開始商業(yè)開采。

      臨淵羨魚,退而結(jié)網(wǎng)

      與陸地相比,海底是更適合生成可燃冰的遼闊溫床??扇急男纬尚杓淄椤⑺?、合適的溫度和壓力共同作用。海洋生物資源豐富,在數(shù)十億年的歷史里,有無數(shù)生物死后葬身海底。這些生物在沉積層內(nèi)逐漸被微生物分解,在一定條件下釋放甲烷。深海溫度常年在2~4攝氏度之間,所受壓力相當于幾十甚至數(shù)百個大氣壓,同時還有豐富的水,正好符合可燃冰的形成條件。海洋學界普遍知曉的數(shù)據(jù)顯示,海底可燃冰資源的分布非常廣泛,即便保守估計,海底蘊藏的可燃冰總量也超過目前已知的常規(guī)石油、煤炭和天然氣資源總和。在傳統(tǒng)化石能源逐漸枯竭,新發(fā)現(xiàn)儲量少于開采量,人們逐漸轉(zhuǎn)向非傳統(tǒng)化石能源等替代能源時,海底可燃冰資源自然不容小覷。

      可燃冰的形成條件比較苛刻,所以只要破壞若干形成條件,就有望使可燃冰中的甲烷釋放出來。對此,研發(fā)人員主要提出三種開采思路:降低壓力、提高溫度、添加其他化學物質(zhì)。減壓法就是通過打井,把可燃冰儲層的壓力直接釋放,從而導致可燃冰分解,氣體通過管道收集;加熱法是向井下灌注熱水,導致可燃冰分解釋放甲烷;也可添加鹽、醇等化學制劑來破壞可燃冰的形成條件,這個方法其實早已被人們用于消除天然氣輸送管道內(nèi)凝結(jié)的可燃冰。還有人提出,可通過化學置換反應,用二氧化碳把固定在水分子籠里的甲烷“換”出來,開采天然氣的同時存儲人類排放的二氧化碳。

      各種方案五花八門,不同的方法與不同的資源地質(zhì)情況相對應。不過這些方法絕大多數(shù)仍處于模擬階段,很少實際應用。在這方面,資源匱乏、海疆豐富的日本走在了前列。

      2012年,日本率先在距離愛知縣渥美半島70公里、深達千米的海底,嘗試用減壓法開采,并在2013年3月宣布從海底可燃冰層中成功提取甲烷氣,還宣布5年后可能進行商業(yè)化開采。

      開采可燃冰面臨不少技術難題。由于形成條件的限制,海底可燃冰資源都分布在水深至少數(shù)百米,埋藏深度又是幾百米的沉積層下面。海底的溫度、壓力、海水的腐蝕等等都是要克服的技術問題。特別是目前發(fā)現(xiàn)的儲量豐富、富集度適當?shù)暮5卓扇急Y源,大多分布在大陸架邊緣向深海過渡的地方,這就給開采設施的安裝、運行及管道鋪設帶來不少麻煩。要解決這些問題,還須通過長時間工業(yè)實踐來積累經(jīng)驗,從而逐漸找到降低開采成本的方法,使得可燃冰開采具有經(jīng)濟性。

      作繭自縛,不可不防

      開采之外的氣候、地質(zhì)問題則可能更加麻煩。進入工業(yè)時代以來,人類大量使用化石能源已導致海量二氧化碳排放,與此相關的氣候變化已開始影響人類生活。甲烷是可燃冰中的主要有用成分。如以百年為限,甲烷在地球大氣中的溫室效應強度是二氧化碳的二十幾倍。如人類開采可燃冰造成甲烷大量泄漏,顯然會加劇目前日益嚴重的氣候變化問題。

      實際上,自然界中的不少甲烷泄漏就來源于可燃冰的分解。與常規(guī)天然氣甚至頁巖氣資源不同,封閉可燃冰的地下巖層并不十分致密,有很多縫隙,氣體完全可能通過這些縫隙釋放。此前已有科研人員發(fā)現(xiàn),由于氣候變化導致凍土層融化,引發(fā)可燃冰分解,甲烷“出籠”。地質(zhì)史上也有可燃冰大量快速分解的例子可循。

      另一個擔心看起來更加直觀。有研究人員推測,海底沉積層內(nèi)的可燃冰對沉積層的穩(wěn)定性有重要作用,可燃冰早已成為海底結(jié)構(gòu)的一部分,有的甚至起到骨架支撐作用。如果發(fā)揮關鍵支撐作用的可燃冰被開采,有可能導致海底結(jié)構(gòu)破壞,引發(fā)地震。海底結(jié)構(gòu)被破壞后還可能導致周邊地區(qū)的可燃冰不穩(wěn)定,引起大量甲烷釋放。

      這可不是聳人聽聞。在大約8 000年前,挪威附近海底曾發(fā)生沉積層大規(guī)模運動,大面積沉積層從大陸架邊緣滑向海底的情況,運動距離達到800公里。這次巨大的海底地震可能導致高達25米的海嘯。這次事件很可能就是可燃冰大量分解破壞海底結(jié)構(gòu)所致?,F(xiàn)有證據(jù)顯示,在阿拉斯加地區(qū)可能也曾發(fā)生過類似的史前地質(zhì)事件。

      人教版化學八年級第八單元“燃燒及其利用”課內(nèi)知識拓展

      ☆編輯/王一鳴

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