可燃冰特性及海上運輸前景

【摘要】可燃冰是公認的21世紀替代能源和清潔能源，開發利用潛力巨大，因此成為當今世界能源開發與研究的熱點。隨著我國成功獲得可燃冰實物樣品，對可燃冰的研究也拓展到運輸行業。本文簡要介紹了可燃冰的分布，研究情況，對可燃冰的海上運輸條件進行分析，論證了可燃冰海上運輸的可行性，并對運輸前景進行了展望。

【關鍵詞】可燃冰；天然氣水合物；NGH；運輸

引言

自1993年我國由能源出口國轉變為能源進口國以來，能源問題便受到政府與相關部門的高度關注。伴隨著近年來煤炭資源、石油資源的日益短缺，以及帶來的諸多環境問題，人們開始意識到開發一種或多種新型清潔能源的必要性，可燃冰便是這種新型清潔資源之一。

1、可燃冰簡介

可燃冰（甲烷冰）學名天然氣水合物（Nature Gas Hydrate、NGH）、甲烷水合物（Methane Hydrate），人們將其俗稱為固體氣、固體瓦斯、氣冰等。可燃冰的分子式為CH4·8H2O，是一種主要分布在深海沉積物中，呈白色或淺灰色結晶狀，類似于固態酒精的新型能源。影響可燃冰生成的條件因素包括溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、PH值等。

作為一種新型清潔能源，可燃冰的燃燒放熱量巨大，即1m3可燃冰的燃燒放熱量可相當于164m3天然氣燃燒放熱量，其能量密度同樣也達到煤的10倍，常規天然氣的2-5倍?；诳扇急拇鎯α看?、能量密度高、污染性低等特性，勢必將取代煤炭、石油資源成為未來使用的新型清潔能源。

2、可燃冰的分布情況

在探測全球可燃冰分布情況之前，各國科學家對可燃冰的形成條件進行了相關的研究，目前廣泛認為形成可燃冰需要三個基本條件，即溫度條件、壓力條件、氣源條件：

（1）溫度條件：可燃冰可在0℃以上生成，但超過20℃便會分解，所以0 - 10℃為宜；

（2）壓力條件：可燃冰在0℃時，需要30個大氣壓即可形成，而且氣壓越大，水合物就越不易分解；

（3）氣源條件：海底的有機物沉淀，地殼中的碳氫化合物均可提供氣源。

基于上述三個條件，科學家公認可燃冰在世界范圍內有廣泛存在的可能性，其主要分布在海底以下0 -1500m深的大陸架及北極等地的永久凍土帶。且各國科學家對天然氣水合物的資源量較為一致的評價為2×1016m3，是剩余天然氣儲量的128倍，僅海底存在的大量可燃冰，便可滿足人類1000年的能源需要。

我國可燃冰資源可分為海洋型與凍土型，我國南海海域可燃冰儲量約為64.97×1012m3，其中北部陸坡的資源量相當于185億噸油、以及南海深水勘探已探明的油氣地質儲備的6倍。東海海域可燃冰儲量約為3.38×1012m3。西沙海槽圈定的可燃冰區域分布面積為5242km2，其資源儲量約4.1億m3 。我國凍土區總面積2.15×106km2，可燃冰形成及儲存前景廣闊，其中青藏高原可燃冰儲量相當于350億噸油，此外黑龍江省漠河盆地，西藏風火山、烏麗地區、青藏高原羌塘盆地等都在對可燃冰的分布與儲量進行研究。

3、國內外研究現狀

目前可燃冰的開發及利用還沒有進入到商業化、規模化的生產階段，但作為一種高能量、低污染的新型清潔能源，對可燃冰的開采與運輸已經引起各國的高度重視，目前對可燃冰研究走在前列的國家有美國、日本。

美國于80年代開始制訂可燃冰研究計劃，又于1998年將可燃冰列為國家發展戰略能源并列入長遠計劃，2012年美國于阿拉斯加發掘到可燃冰，并從中安全有效的獲得了穩定的天然氣流，在此基礎上美國加大力度開發可燃冰項目，計劃于2015年進行試開采。

日本的可燃冰資源廣泛，幾乎遍及從北海道至沖繩的海域。2001年日本制訂了為期18年的可燃冰開采戰略計劃。2013年3月12日，日本宣布于深海可燃冰層中提取出甲烷，成為首個掌握海底可燃冰采掘技術的國家，日本希望于2018年開發出成熟的技術，實現大規模商業化生產。

我國于90年代開始意識到可燃冰作為一種新型清潔能源的重要性，1999年開始對可燃冰的分布進行調查與研究?！笆晃濉逼陂g，可燃冰作為大規模新型能源被列為能源領域研究中的重點研究方向。 2007年6月我國在可燃冰研究的道路上取得重大突破，成功在南海北部神狐海域獲得高純度可燃冰實物樣品，成為第四個采集到可燃冰實物樣品的國家。隨后南?？扇急椖考{入到“973”計劃中，這也代表著我國對可燃冰的重大基礎研究全面展開。

4、可燃冰的儲存與運輸

可燃冰的儲存與運輸技術的實質即為對天然氣的固態儲運技術。21世紀初，我國天然氣的主要運輸方式為管道運輸與天然氣液態化（LNG）運輸，但兩種方式在管道建設與天然氣液化儲存上費用耗資巨大，使運輸天然氣不具有經濟效應，相關專家便開始研制將天然氣制成水合物狀態（NGH）儲存與運輸。在大量天然氣長距離運輸技術的對比研究中已顯示NGH儲運技術比LNG儲運技術節約資金24%以上，并且NGH技術具有更高的安全性與環保性，因此未來會將NGH技術作為遠洋運輸的一種手段?？扇急暮Ｉ线\輸模式便為NGH技術之一。

可燃冰可在常壓和低溫（通常為-15℃）的條件下儲存、運輸、且氣體逸失不明顯?？扇急诔合碌姆纸庵话l生在表面，分解產生的水又覆蓋在其表面，形成了一層冰膜，起到保護作用，避免了更多分解，專家將此特性稱為自我儲存能力。根據可燃冰的自我儲存能力，理論上可以將其置于相應條件的絕熱儲罐中進行存儲、運輸。

裝運可燃冰的設備在運輸途中不需要承受高壓、低溫，由于可燃冰具有自我儲存能力，同樣不需要特殊的絕熱措施，因此設備對建造材料要求不高。可燃冰的運輸具有生產成本低，儲存的條件相對較易實現，儲存和運輸過程中安全性高等優點，其發展前景良好。

5、可燃冰的分解

采用管道輸送天然氣的方式中，由于管道內部有水的存在，加上溫度與壓力的條件便產生了天然氣水合物固體，堵塞管道，專家便開始研制應對這種堵塞的方法，該方法便是使可燃冰的分解的方式?？扇急姆纸饪梢酝ㄟ^改變其平衡條件而使天然氣從中釋放出來，即在恒溫下降壓至低于平衡壓力，或在恒壓下升溫至高于平衡溫度都可以使可燃冰分解，目前通常采用以下的三種方式：

（1）加入醇類或鹽類等化學物質改變其平衡條件的化學試劑法；

（2）利用加熱手段促使其分解的加熱法；

（3）壓力降低到其平衡條件下的減壓法。

除上述三種方式之外，還可以利用微波和超聲波技術對可燃冰進行分解。微波技術可使熱量從可燃冰內部產生，十分有利于分解反應的進行。超聲波技術則通過超聲空化對可燃冰進行分解，超聲空化越強，可燃冰越易于分解，可以從降低超聲頻率、提高外界壓力和溫度、改變介質物性（如物質的狀態、密度和比熱容）等方面強化超聲空化。

6、可燃冰運輸船舶NGH CARRIERS

海上運輸可燃冰可分為集裝運輸與散裝運輸兩種模式。集裝運輸是將可燃冰固體裝載在專用的冷藏集裝箱里，通過普通集裝箱船進行運輸。集裝運輸的關鍵技術為專用冷藏箱的絕熱技術與降低氣體逸失技術，箱內貨物裝卸技術等，需確?？扇急谡麄€輸送過程中不會發生分解與融化。

散裝運輸可燃冰需研制出一種新型專用船舶，專家將此船型稱為NGH CARRIERS，目前研究通過以下三種運輸模式對可燃冰進行運輸：

（1）英國氣體公司研發出一種工藝方法：將可燃冰裝載在NGH運輸船中運送，到達目的地之后，在船上進行分解、氣化，分離出來的游離水留在船上用作返航時的壓艙水；

（2）英國氣體公司研發另外一種工藝方法是將經過兩次脫水后稠度為1∶1的水合物漿泵入雙殼運輸船上的隔熱密封艙進行運送，該艙壓力為1 Mpa，溫度為2～3℃。這種水合物漿再氣化時可以得到約為原體積75倍的天然氣。但由于運輸能力的有效利用率僅為前一種工藝方法的一半左右，因而其運送成本明顯增加；

（3）挪威阿克爾工程公司研究出一種NGH的運輸工藝。該方法是將可燃冰與已經冷凍到-10℃的原油充分混合，形成懸浮于原油中的可燃冰油漿液，然后在接近于常壓的條件下由泵送入絕熱的油輪隔艙或絕熱性能良好、運距較短的輸油管中，輸送到接收終端后，在三相分離器升溫，分離出原油、天然氣和水。

雖然可燃冰的儲氣量僅為LNG的1/4，但與LNG運輸需要苛刻的條件相比，可燃冰的運輸裝卸顯得更加方便，而且無須復雜的儲存技術與昂貴的建造材料。近年來，建造一艘LNG船最少要耗資2.05億美金，而日本研究人員估計，僅用約7000萬美元就可以建造一艘10萬噸的類似于冷凍散貨船的可運輸可燃冰的船舶NGH CARRIERS 。

7、結語

目前可燃冰的研究主要集中在資源的勘測與評估，開采模擬與環境評價方面，還沒有進入到穩定的開采階段，可燃冰運輸船NGH CARRIERS也仍處于研究階段沒有獲得實際應用，兩者仍有像可燃冰開采不當會誘發海底滑坡等地質災害、開采與運輸中甲烷氣體泄漏于大氣中會造成嚴重的溫室效應等技術問題需要得到解決。根據近年來試驗性開采的成果和儲存技術進步來看，大規模開采與運輸可燃冰技術上是可行的，實現商業化只是時間的問題?？扇急鳛樾滦颓鍧嵞茉淳哂械膬瀯荼囟〞o能源行業、船舶制造業、航運業帶來巨大的影響。

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項目基金：（省級教改項目：海上貨物運輸精品課程 項目編號：3632010211）。