摘 要:當(dāng)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(dāng)務(wù)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。可燃冰是近些年來世界各國相繼發(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”?,F(xiàn)在闡述可燃冰形成過程并分析總結(jié)目前對可燃冰的研究現(xiàn)狀、分析可燃冰的應(yīng)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(guān)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(jié)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(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。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(xué)家們的眼球。而主要勘探方法有地震勘探法、地球化學(xué)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(yīng)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(xué)者們專門采用數(shù)值方法研究CO,地質(zhì)封存技術(shù),輔助分析可燃冰的動力學(xué)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(shù)復(fù)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(shè)、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(guān)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(shù)主要有兩種思路。一是與傳統(tǒng)油氣開采結(jié)合,通過降壓、注熱、注化學(xué)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(shù),只需開發(fā)提高可燃冰分解效率的技術(shù)即可。其缺點是,需注入大量的能量或化學(xué)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(shù),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(zhuǎn)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(shù)與現(xiàn)有油氣開采技術(shù)差別較大,需要全面開發(fā),技術(shù)難度較大。不過,類似技術(shù)已經(jīng)在其他海洋資源(如金屬錳)的開發(fā)中成功應(yīng)用,為其在可燃冰開采領(lǐng)域的應(yīng)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(zhuǎn)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(yù)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??扇急c全球溫室效應(yīng)之問有著密切的聯(lián)系。據(jù)統(tǒng)計,CH4的溫室效應(yīng)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(yīng)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(yīng),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(yīng)的加劇將形成惡性循環(huán)。海底可燃冰的不斷分解將導(dǎo)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(xué)反應(yīng),從而導(dǎo)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(dǎo)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(yīng),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??傊瑳]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(shè)想。但我們有理由相信,隨著常規(guī)能源的入不敷出和科學(xué)技術(shù)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(jié)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(xué)技術(shù)難以實現(xiàn)可燃冰的大量開采,仍需科學(xué)技術(shù)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。