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可燃冰

可燃冰

可燃冰,即天然气水合物(Natural Gas Hydrate,简称Gas Hydrate),是分布于深海沉积物中,由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧,所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。可燃冰由于含有大量甲烷等可燃气体,所以燃点很低,极易燃烧。1立方米可燃冰含有200多立方米的甲烷气体。同等条件下,可燃冰燃烧产生的能量比煤、石油、天然气要多出数十倍,而且燃烧后不产生任何残渣和废气,避免了污染问题。

目录

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1 简介
2 形成条件
3 储量分布 
4 开采状况
  1. 4.1 发达国家
  2. 4.2 中国状况
5 环境危害

可燃冰 - 简介

燃烧的可燃冰

可燃冰又称天然气水合物,是由水和天然气在高压、低温条件下混合而成的一种固态物质,外貌极像冰雪或固体酒精,遇火即可燃烧,具有使用方便、燃烧值高等特点,是公认的地球上尚未开发的储量最大的新型能源,被誉为21世纪最有希望的战略资源。

可燃冰的主要成分是甲烷与水分子,学名为“天然气水合物”(Natural Gas Hydrate,简称Gas Hydrate),又称“笼形包合物”(Clathrate),分子结构式为:CH4·H2O。组成天然气的成分如CH4,C2H6,C3H8,C4H10等同系物以及CO2,N2,H2S等可形成单种或多种天然气水合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷,对甲烷分子含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物(Methane Hydrate)或者甲烷冰。

1立方米可燃冰可释放出160—180立方米的天然气,其能量密度是煤的10倍,而且燃烧后不产生任何残渣和废气。研究结果表明,天然气水合物分布广泛,资源量巨大,是煤炭、石油、天然气全球资源总量的两倍,为世界各国争相研究、勘探的重要对象。

科考人员在中国南海北部神狐海域钻探目标区内,圈定11个可燃冰矿体,含矿区总面积约22平方公里,矿层平均有效厚度约20米,预测储量约为194亿立方米。获得可燃冰的三个站位的饱和度最高值分别为25.5%、46%和43%(截至2012年),是世界上已发现可燃冰地区中饱和度最高的地方。

可燃冰 - 形成条件

可燃冰分子结构就像一个一个由若干水分子组成的笼子

形成可燃冰有三个基本条件:温度、压力和原材料。

首先,低温。可燃冰在0—10℃时生成,超过20℃便会分解。海底温度一般保持在2—4℃左右;

其次,高压。可燃冰在0℃时,只需30个大气压即可生成,而以海洋的深度,30个大气压很容易保证,并且气压越大,水合物就越不容易分解。

最后,充足的气源。海底的有机物沉淀,其中丰富的碳经过生物转化,可产生充足的气源。海底的地层是多孔介质,在温度、压力、气源三者都具备的条件下,可燃冰晶体就会在介质的空隙间中生成。

可燃冰 - 储量分布

全球天然气水合物分布情况

已发现的天然气水合物主要存在于北极地区的永久冻土区和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中。由于采用的标准不同,不同机构对全世界天然气水合物储量的估计值差别很大。据潜在气体联合会(PGC,1981)估计,永久冻土区天然气水合物资源量为1.4×1013 —3.4×1016 m3 ,包括海洋天然气水合物在内的资源总量为 7.6×1018 m3 。但是,大多数人认为储存在天然气水合物中的碳至少有1×1013 t,约是已探明的所有化石燃料(包括煤、石油和天然气)中碳含量总和的2倍。

全球蕴藏的常规石油天然气资源消耗巨大,很快就会枯竭。科学家的评价结果表明,仅在海底区域,可燃冰的分布面积就达4000万平方公里,占地球海洋总面积的  1/4。2011年,世界上已发现的可燃冰分布区多达116处,其矿层之厚、规模之大,是常规天然气田无法相比的。科学家估计,海底可燃冰的储量至少够人类使用1000年。

世界上海底天然气水合物已发现的主要分布区是大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东海岸外的布莱克海台等,西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、日本南海海槽、苏拉威西海和新西兰北部海域等,东太平洋海域的中美洲海槽、加利福尼亚滨外和秘鲁海槽等,印度洋的阿曼海湾,南极的罗斯海和威德尔海,北极的巴伦支海和波弗特海,以及大陆内的黑海与里海等。

可燃冰 - 开采状况

发达国家

实验室中合成的可燃冰

1810年,英国学者戴维在伦敦皇家研究院首次合成氯气水合物。气水合物(Gas Hydrate)一词最早出现在戴维次年所著的书中。在这以后的一百二十多年中,人们仅通过实验室来认识水合物。

1960年,前苏联在西伯利亚发现了可燃冰,并于1969年投入开发;美国于1969年开始实施可燃冰调查,1998年把可燃冰作为国家发展的战略能源列入国家级长远计划;日本开始关注可燃冰是在1992年,2011年已基本完成周边海域的可燃冰调查与评价。但最先挖出可燃冰的是德国。

从20世纪80年代开始,美、英、德、加、日等发达国家纷纷投入巨资相继开展了本土和国际海底天然气水合物的调查研究和评价工作,同时美、日、加、印度等国已经制定了勘查和开发天然气水合物的国家计划。特别是日本和印度,在勘查和开发天然气水合物的能力方面已处于领先地位。

2012年2月,日本政府计划在爱知县近海率先启动海底开采试验。开采队伍将从2月中旬起在距离爱知县渥美半岛约70公里处的1000米深的海底钻井开采,争取在2013年1月从海底取出甲烷水合物,并在海上获取甲烷气体,有关方面希望通过本次试验来检验能否长期稳定地挖掘开采。

2012年10月,日本北见工业大学和明治大学等机构宣布,日本近海有可能广泛存在可燃冰,而且就埋藏于海底下数米的浅处。研究小组已在鄂霍次克海和日本海发现了可燃冰。[13]

2012年2月,苏格兰政府高级官员及一些专家表示,苏格兰海域深处可能蕴藏甲烷冰。 他们推测苏格兰设德兰群岛西部海域蕴藏大量的甲烷冰,或许足够开发利用300年。[10]

中国状况

按照中国战略规划的安排,2006—2020年是调查阶段,2020—2030年是开发试生产阶段,2030—2050年,中国可燃冰将进入商业生产阶段。

陆地上发现的可燃冰

中国在南海西沙海槽等海区已相继发现存在天然气水合物的地球物理标志BSR,这表明中国海域也分布有天然气水合物资源,值得开展进一步的工作;同时青岛海洋地质研究所已建立有自主知识产权的天然气水合物实验室并成功点燃天然气水合物。

2002年,启动中国海域可燃冰资源调查与评价专项,专题调查行动圈出南海北部7个远景区,19个成矿区带。

可燃冰

2005年4月14日,中国在北京举行中国地质博物馆收藏首次发现的天然气水合物碳酸盐岩标本仪式,宣布中国首次发现世界上规模最大被作为“可燃冰”即天然气水合物存在重要证据的“冷泉”碳酸盐岩分布区,其面积约为430平方公里。在南海北部陆坡东沙群岛以东海域发现了大量的自生碳酸盐岩,其水深范围分别为550米~650米和750米~800米,海底电视观察和电视抓斗取样发现海底有大量的管状、烟囱状、面包圈状、板状和块状的自生碳酸盐岩产出,它们或孤立地躺在海底上,或从沉积物里突兀地伸出来,来自喷口的双壳类生物壳体呈斑状散布其间,巨大碳酸盐岩建造体在海底屹立,其特征与哥斯达黎加边缘海和美国俄勒岗外海所发现的“化学礁”类似,而规模却更大。

2007年首次在神狐海域钻获可燃冰实物样品,证明南海可燃冰资源远景良好。

2009年9月25日,中国地质部门在青藏高原发现了一种名为可燃冰(又称天然气水合物)的环保新能源。这是中国首次在陆域上发现可燃冰,使中国成为加拿大、美国之后,在陆域上通过国家计划钻探发现可燃冰的第三个国家。

2011年11月,中国“海洋地质、矿产资源与环境”学术研讨会在广州召开,由广州海洋地质调查局承担的可燃冰专题调查工作取得重大进展,2011年已在南海圈定了25个成矿区块,控制资源量达到41亿吨油当量。[11]

2012年5月,中国第一艘自行设计可燃冰综合调查船“海洋六号”,近日再次深入南海北部区域,对可燃冰资源进行新一轮“精确调查”。[12] 如果取样条件具备,计划2013年再次开钻获取新样品。[12]

可燃冰 - 环境危害

可燃冰

天然气水合物在给人类带来新的能源前景的同时,对人类生存环境也提出了严峻的挑战。天然气水合物中的甲烷,其温室效应为CO2的20倍,温室效应造成的异常气候和海面上升正威胁着人类的生存。

全球海底天然气水合物中的甲烷总量约为地球大气中甲烷总量的3000倍,若有不慎,让海底天然气水合物中的甲烷气逃逸到大气中去,将产生无法想象的后果。而且固结在海底沉积物中的水合物,一旦条件变化使甲烷气从水合物中释出,还会改变沉积物的物理性质,极大地降低海底沉积物的工程力学特性,使海底软化,出现大规模的海底滑坡,毁坏海底工程设施,如:海底输电或通讯电缆和海洋石油钻井平台等。[13]

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