可燃冰
——未來(lái)低碳社會(huì)的理想能源

河北省承德市營(yíng)子區(qū)教育局中學(xué)教研室 張學(xué)軍

2017年5月18日，天然氣水合物試采現(xiàn)場(chǎng)會(huì)在南海神狐海域召開(kāi)，宣告我國(guó)進(jìn)行的首次天然氣水合物試采成功。消息一經(jīng)發(fā)布，可燃冰當(dāng)即成為人們熱議的話(huà)題。

因何而得名

天然氣水合物或稱(chēng)甲烷水合物，化學(xué)式為CH4·nH2O，為無(wú)色透明冰狀晶體，因其外觀像冰一樣且遇火即可燃燒，所以又被稱(chēng)作“可燃冰”。

內(nèi)部啥結(jié)構(gòu)

在微觀世界里，可燃冰實(shí)則由一個(gè)又一個(gè)緊挨著的“籠子”組成，我們稱(chēng)之為晶胞。每個(gè)“籠子”由多個(gè)水分子通過(guò)氫鍵相互連接構(gòu)成，而“囚徒”則是1個(gè)甲烷分子，因此可燃冰在狹義上也被稱(chēng)為甲烷水合物，而廣義上的可燃冰，“囚徒”可能是氮?dú)?、氧氣、乙烷、丙烷等分子?/p>

究竟咋形成

遠(yuǎn)古時(shí)期，大量動(dòng)植物被掩埋在地下，經(jīng)過(guò)數(shù)億個(gè)春秋，方才重見(jiàn)天日，然而它們?cè)缫衙婺咳?，變成了石油、煤、天然氣等。與天然氣類(lèi)似，可燃冰的形成條件卻十分“親民”，只需三個(gè)基本條件：一是要有氣源（甲烷）；二是溫度介于10℃～－10℃之間；三是壓力適中。因此，可燃冰在地球上分布甚廣，儲(chǔ)存量更是十分驚人。據(jù)估計(jì)，可燃冰的儲(chǔ)量約為全球所有化石能源的2倍。

有啥好前景

同等條件下，可燃冰燃燒產(chǎn)生的能量比煤、石油、天然氣要多出數(shù)十倍，而且燃燒后不產(chǎn)生任何殘?jiān)苊饬俗钭屓藗冾^疼的污染問(wèn)題?？茖W(xué)家們?nèi)绔@至寶，把可燃冰稱(chēng)作“屬于未來(lái)的能源”，人類(lèi)對(duì)可燃冰的開(kāi)發(fā)和利用將成為未來(lái)全球能源發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。目前全球生產(chǎn)模式主要依靠的傳統(tǒng)化石能源總會(huì)耗盡，而可燃冰可能大大延長(zhǎng)這個(gè)時(shí)間，為人類(lèi)開(kāi)發(fā)新能源提供緩沖。

研究到哪步

早在1934年，人們就發(fā)現(xiàn)在油氣輸送管道和加工設(shè)備中有冰狀固體堵塞現(xiàn)象，這些固體不是冰，而是比冰熔點(diǎn)高的氣體分子化合物。當(dāng)時(shí)研究的目的是如何抑制和防止氣體分子化合物堵塞管道和設(shè)備。1965年，前蘇聯(lián)科學(xué)家預(yù)言，天然氣水合物可能存在于海洋底部的地表層中，后來(lái)他們?cè)谖鞑麃唭鐾翈Оl(fā)現(xiàn)了天然氣水合物。從此，各國(guó)政府和科學(xué)家對(duì)天然氣水合物這種潛在的能源，產(chǎn)生了極大的興趣。多年來(lái)，對(duì)天然氣水合物的結(jié)構(gòu)、性能、形成、開(kāi)采和應(yīng)用所進(jìn)行的研究，使人們對(duì)它有了比較深入的了解。

開(kāi)發(fā)難在哪

可燃冰大有替代傳統(tǒng)化石能源的趨勢(shì)，為何至今仍未商業(yè)化？關(guān)鍵是開(kāi)采容易收集難。在開(kāi)采過(guò)程中，目前無(wú)法避免部分甲烷逃逸，而它們進(jìn)入海水會(huì)發(fā)生氧化作用，消耗海水的含氧量，對(duì)海洋生態(tài)帶來(lái)危害；又因?yàn)榧淄閷儆跍厥覛怏w，假設(shè)約有1%的甲烷逃逸，理論上將使大氣中的甲烷含量增加30倍，其帶來(lái)的溫室效應(yīng)將是滅頂之災(zāi)；此外，大陸架的可燃冰一旦被開(kāi)采，若其巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，重則可能導(dǎo)致大陸架坍塌、海嘯等自然災(zāi)害。

經(jīng)過(guò)近20年的不懈努力，我國(guó)取得了天然氣水合物勘查開(kāi)發(fā)理論、技術(shù)、工程、裝備的自主創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了歷史性突破。中國(guó)此次試采可燃冰成功，也是世界首次成功實(shí)現(xiàn)資源量占全球90%以上、開(kāi)發(fā)難度最大的泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物安全可控開(kāi)采。

盡管大規(guī)模利用可燃冰還需等待，但終會(huì)有到來(lái)的一天。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，可燃冰定能點(diǎn)燃人們的生活，照亮人類(lèi)前進(jìn)的航程。