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科普:可燃冰是什么东东?

文章出处:未知责任编辑:admin人气:发表时间:2019-08-10 23:01

  2017年5月18日,我国在南海进行的天然气水合物(可燃冰)试采宣告成功。中国在神狐海域的可燃冰试开采现场距香港约285公里,采气点位于水深1266米海底以下200米的海床中。自5月10日至18日,已累计产出逾12万立方米,最高产量达日产3.5万立方米,其中甲烷含量最高达99.5%,完成预定目标。[1]国内几乎所有媒体都在第一时间对此事进行了报道。那么,天然气水合物(可燃冰)究竟是什么,它为什么有那么大的价值呢?

  1934年,前苏联在西伯利亚的一节天然气输气管道堵了。当工程师和维修人员赶到阻塞地点查看情况的时候,发现堵塞管道的东西居然是天然气和水形成的一种像冰一样,但可以燃烧的固体。由此揭开了对天然气水合物研究的序幕。美国从60年代开始实施天然气水合物的矿物调查,日本90年代开始天然气水合物的开采研究。我国相对起步较晚,但现在看来走在了世界前列。

  天然气的主要成分是甲烷。甲烷在常温下是气态物质,在某些条件下与水混合,甲烷分子被水分子像笼子一样包裹起来,难以逸出,这样就形成了天然气水合物。这种甲烷与水形成的化合物,分子式可以写成CH4·nH2O,是一种像冰雪一样的白色固体,万博ManBetX客户端下载!密度也和冰雪相近,但是可以燃烧,所以它俗名“可燃冰”。可燃冰形成的条件比较特殊,温度需要在0-10℃之间,0℃时需要压强在30个大气压才可以形成。如果打破了这个条件,气温升高或者压强降低,那“笼子”里的甲烷分子就会打破桎梏,纷纷冲出来。所以,在我们生活的常温常压下可燃冰是不能稳定存在的。它只能存在于某些特定的地层里。

  因为可燃冰中能燃烧的物质主要是甲烷,所以可燃冰燃烧实际上就是甲烷燃烧。甲烷燃烧的化学反应式如下:

  传统化石能源中,煤炭含有大量的硫。因此在煤炭燃烧的时候,其中所含的杂质硫也会一起燃烧,生成二氧化硫,污染大气。煤炭燃烧产生的烟尘也是一个污染源。石油和天然气中除了含有杂质硫之外还可能含有氮元素,燃烧生成氮氧化物污染大气。而可燃冰中可能导致污染的杂质比如硫、氮等非常少,万博ManBetX客户端下载,因此可燃冰燃烧之后没有残渣,也没有二氧化硫、氮氧化物等大气污染物,是非常清洁的能源。

  据测算,标准状态下每一体积的可燃冰最多可以分解释放出164体积的甲烷气体。虽然听起来好像不如液化气多,但是考虑到全世界的可燃冰储量,这个数字还是非常可观的,值得商业开采。问题就是,可燃冰的开采是世界难题。可燃冰由于形成条件的限制,基本都分布于冻土层和海底。要在这些地方建钻井,难度很大。2013年,日本试开采海底的可燃冰仅6天时,海底的泥沙就灌了进去,导致开采工作被迫停止。

  固体的可燃冰从很深的钻井中直接搬运出来会损失很多甲烷,所以直接开采固体不是个好主意。科学家和工程师们只能利用可燃冰的特殊性质,想办法把可燃冰还原成甲烷和水来开采。前面说过,可燃冰在常温常压下就会分解。所以,如果给可燃冰加温或者减压,甲烷不就能从水分子的“牢笼”中出来了吗?

  目前科学家们正在尝试和不断完善的开采方法主要有热解法、减压法、置换法等。所谓热解法,是想办法给钻井底下的可燃冰加热,让可燃冰中的甲烷释放出来,顺着管道溢出来开采。减压法是通过钻井来抽出开采层的水。矿层内部的水少了,压力自然也就降低了。可燃冰重新分解为甲烷和水,就能从地下跑到地面上来了。日本的试采使用的就是这种技术。置换法是往钻井中打入二氧化碳的办法来获得甲烷。因为二氧化碳形成水合物更为容易,所以在相同条件下,二氧化碳会替换可燃冰中的甲烷,这样就把水分子“牢笼”中的甲烷“释放”出来了。不过这些方法目前来看还都不太完善,有很大的缺点。要么成本太高,要么对可燃冰所处的位置有特殊要求,要么能源利用效率太低。

  另外还要考虑的是,甲烷也是一种温室气体。有资料称,甲烷的温室效应比二氧化碳要强25倍。如果可燃冰开采不当或出现采矿事故导致大量甲烷气体外泄的话,对地球大气、对人类的影响都将是灾难性的。科学家、工程师们开采的时候必须小心翼翼,决不能让可燃冰中的甲烷不受人控制地大量逸散到空气中去。这也成为了阻碍可燃冰开采的重要因素。

  目前我们国家在2017年11月3日已经把可燃冰列入了新矿种,确立了可燃冰开采的计划,按照计划,预计到2030年可燃冰开采的技术就将成熟,可以进入商业化运作了。这次成功试采不过是个序曲而已。虽然目前新闻报道中还没有对这次试采的技术细节披露,但我们有理由相信,在众多科学家、工程师和技术人员的努力下,我们一定能成为世界上第一个用上可燃冰这种新型清洁能源的国家!