可燃冰的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

摘 要：當今世界，能源問題是人類所要面臨的三大問題之一，我國正面臨著巨大的資源和環(huán)境挑戰(zhàn)，人均資源匱乏，環(huán)境堪憂。當務之急，是找到能大量開發(fā)的新能源。新能源有別于傳統(tǒng)的化石燃料，它具有利用效率高、環(huán)境污染小的優(yōu)點?？扇急墙┠陙硎澜绺鲊嗬^發(fā)現(xiàn)的一大新型能源。因其優(yōu)越的燃燒性能和清潔燃燒產(chǎn)物，所以被稱作“屬于未來的能源”。現(xiàn)在闡述可燃冰形成過程并分析總結目前對可燃冰的研究現(xiàn)狀、分析可燃冰的應用對環(huán)境產(chǎn)生的利與弊，及對可燃冰的研究開發(fā)對未來能源儲備具有重要意義。

關鍵詞：可燃冰；研究現(xiàn)狀；發(fā)展前景

引言

可燃冰又叫做“天然氣水合物”也稱作氣體水合物，是分布于深海沉積物中，它是由天然氣，水在高壓（大于10MPa）和低溫（O—l0℃）條件下合成的一種固態(tài)類冰狀結晶物質(zhì)。天然氣水合物是一種白色固體物質(zhì)，因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒，所以又被稱作“可燃冰”或者“固體瓦斯”和“氣冰”。因形成天然氣水合物的主要氣體為甲烷.所以可燃冰又稱為固態(tài)甲烷。其在一定溫度下熔化，可以生成甲烷和水：其資源量充足，據(jù)初步統(tǒng)計，可達全球已知化石燃料總和的2倍，占地球全部有機碳總量的1/2以上，可供人類使用1000年以上，能大大緩解全球能源危機。所以被認為是繼石油之后的一種新型燃料，具有很高的研究價值。

一、可燃冰的形成條件

“可燃冰”這種固態(tài)物質(zhì)是在低溫、高壓環(huán)境下水和天然氣混合而成的，外表貌似冰雪；只有在溫度、壓力、氣源都具備的前提下，才會在海底、凍土帶地層介質(zhì)的間隙中生成天然氣水合物晶體。所以“可燃冰”的形成必須滿足3個基本條件，缺一不可。研究表示可燃冰的形成條件首先溫度不能太高；第二壓力要足夠大.O℃時壓力在30arm 以上就可生成；第三，地底要有氣源。因此，可燃冰受其性質(zhì)、形成條件的種種限制，只會在諸如大陸、島嶼的斜坡地帶等特殊的地理環(huán)境和地質(zhì)構造單元內(nèi)形成。

二、研究方法和開發(fā)現(xiàn)狀

隨著全球能源危機的日趨嚴峻，尋求新的接替能源已經(jīng)成為全世界迫在眉睫的課題。豐富的可燃冰礦藏廣泛分布于海底以下數(shù)百米的沉積層中；而在陸地上，它則存在于地表深處200m～2000m之間。標準狀態(tài)下，它會以164：1的體積比分解為氣體和水，能量密度高達常規(guī)天然氣的2～5倍，比煤多9倍，并且所含雜質(zhì)較少，燃燒后幾乎不產(chǎn)生污染性物質(zhì)，符合清潔能源的標準。也正是由于其埋藏淺、能量密度高、潔凈等優(yōu)點，它一直深深地吸引著各國科學家們的眼球。而主要勘探方法有地震勘探法、地球化學法及地質(zhì)勘探法，勘探方法日趨成熟。主要開采方法有3種：

一是熱激化法，即利用可燃冰加熱時分解出甲烷氣體的原理。

二是降壓法，專家提出將核廢料埋入地底，利用核輻射效應使其分解出甲烷氣體。

三是注入劑法，向可燃冰層注入鹽水、甲醇、乙醇等，破壞原平衡促使其分解。

新型方法有二氧化碳置換開采法和固體開采法。二氧化碳置換法能把大量CO送入深海，有助于減緩全球氣候變暖。國外學者們專門采用數(shù)值方法研究CO，地質(zhì)封存技術，輔助分析可燃冰的動力學特性、穩(wěn)定性等，并對該方法的使用地域性進行了分析。目前開采方法技術復雜，速度慢，費用高，而且海洋中水合物的壓力較高，實現(xiàn)管道合理布設、天然氣的高效收集較困難。開采過程中保證海底穩(wěn)定、使甲烷氣體不泄露是關鍵，日本對此提出了“分子控制”方案，美國在2005年成功模擬生產(chǎn)海底可燃冰，目前各國尚無成熟的大規(guī)模商業(yè)開采方法。海洋可燃冰的開采技術主要有兩種思路。一是與傳統(tǒng)油氣開采結合，通過降壓、注熱、注化學藥劑以及注二氧化碳的方法，將可燃冰在海底分解為氣體，然后開采。其優(yōu)點在于，海底以上的部分可以直接采用現(xiàn)有的油氣開采技術，只需開發(fā)提高可燃冰分解效率的技術即可。其缺點是，需注入大量的能量或化學藥劑，開采的效率不高，同時可能帶來環(huán)境危害。另一種是固態(tài)開采，即將可燃冰以固體形態(tài)輸送到海底面，進行初步泥沙分離后采用固—液—氣三相輸送技術，將固態(tài)可燃冰及輸送過程中分解出的氣體輸送到海面，然后利用海面的高溫海水對可燃冰進行分解、收集并通過管道輸送，或?qū)⒎纸獾脕淼臍怏w重新制成可燃冰固體轉入船運。其優(yōu)點是，輸送過程中分解的氣體可以產(chǎn)生自發(fā)向上的動力，因此開采效率很高。但該技術與現(xiàn)有油氣開采技術差別較大，需要全面開發(fā)，技術難度較大。不過，類似技術已經(jīng)在其他海洋資源（如金屬錳）的開發(fā)中成功應用，為其在可燃冰開采領域的應用提供了重要參考。

作為世界上最大的發(fā)展中的海洋大國，我國能源短缺十分突出。我國的油氣資源供需差距很大，1993年我國已從油氣輸出國轉變?yōu)閮暨M口國， 1999年進口石油4000多萬噸， 2000年進口石油近7000萬噸，預計2010石油缺口可達2億噸。因此急需開發(fā)新能源以滿足我國經(jīng)濟的高速發(fā)展。

三、利弊及發(fā)展前景

可燃冰是水和天然氣在高壓、低溫條件下混合而成的一種固態(tài)物質(zhì)，具有使用方便、燃燒值高、清潔無污染等特點，是公認的地球上尚未開發(fā)的最大新型能源。雖然可燃冰在資源方面的優(yōu)勢顯得非常突出，但它的開發(fā)與利用勢必會繪人類今后的生活帶來一系列的不利影響。可燃冰與全球溫室效應之問有著密切的聯(lián)系。據(jù)統(tǒng)計，CH4的溫室效應要比CO 整整大2l倍。雖然目前大氣中的甲烷總量并不高，僅僅占到二氧化碳總量的5%，但甲烷對溫室效應的“貢獻”卻高達15%。一旦可燃冰作為新型能源大量開采，則在開采過程中勢必會向大氣中排放大量的甲烷氣體，這將進一步加劇全球的溫室效應，同時極地、海水和地層的溫度也將隨之升高。久而久之，深埋在海底或地下的可燃冰會自動分解，大氣的溫室效應的加劇將形成惡性循環(huán)。海底可燃冰的不斷分解將導致斜坡穩(wěn)定性降低進而使得海底滑坡現(xiàn)象日趨嚴重。破壞海洋中的生態(tài)平衡。研究表明，在開采過程中向海洋排放的大量甲烷氣會與海水發(fā)生化學反應，從而導致海水中氧氣含量降低，一些喜氧生物群落將會面臨物種滅絕的危險；另一方面，將會使海水中的二氧化碳含量增加。造成生物礁退化，進而破壞海洋生態(tài)平衡。

從上述分析來看，“可燃冰” 的開發(fā)會對環(huán)境帶來種種不利因素，但從另外一個角度來看，排向大氣中的甲烷最終會對于穩(wěn)定全球氣候產(chǎn)生積極的作用。冰川時期開始時，由于全球變冷、冰蓋擴大進而引起海平面下降，而海平面的下降又會導致對海底壓力的下降，這樣天然氣水合物的離散和甲烷的釋放增加了大氣的溫室效應，從而全球氣候持續(xù)變冷得到了有效控制。因此，天然氣水合物又成為了穩(wěn)定全球溫度的一個重要因素。

“可燃冰”的研究意義重大，但其開發(fā)有利有弊?？傊?，沒有在它的利與弊之問找到一個平衡點、沒有有效解決其開發(fā)對于全球環(huán)境帶來的影Ⅱ耐之前，大量開采、投人生活只能作為美好的設想。但我們有理由相信，隨著常規(guī)能源的入不敷出和科學技術的不斷發(fā)展，可燃冰作為未來社會龐大的能源儲備在人類發(fā)展的進程中必將發(fā)揮重大作用。

結語：

可燃冰儲量豐富，對環(huán)境污染小，是優(yōu)良的未來能源，目前科學技術難以實現(xiàn)可燃冰的大量開采，仍需科學技術的發(fā)展，以探尋最佳的開采方法，可燃冰大面積的利用指日可待！

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作者簡介：

高富豪（1997年9月14日）男，漢族，河南省杞縣，本科，研究方向；水利水電工程。