新型能源可燃冰（CH4·8H2O）在我國(guó)的應(yīng)用前景

張成立

（錦州醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療學(xué)院，遼寧 錦州 121013）

2004年英國(guó)石油（BP）發(fā)表的全球能源報(bào)告顯示，全球石油儲(chǔ)量可供生產(chǎn)40 多年，天然氣67年，煤炭可以供應(yīng)164年。《中東報(bào)》曾報(bào)道過(guò)：石油儲(chǔ)量不超過(guò)8 300 億桶，而全球每年石油消費(fèi)以240 億桶不斷遞增，可勘探出的石油每年不足50 億桶。據(jù)美國(guó)石油業(yè)協(xié)會(huì)估計(jì)，地球上尚未開(kāi)采的原油儲(chǔ)藏量已不足兩萬(wàn)億桶，2250-2500年煤炭也將消耗殆盡，所以面對(duì)礦物燃料逐漸枯竭所帶來(lái)的能源危機(jī)，全世界都認(rèn)識(shí)到必須開(kāi)發(fā)新能源。

新型能源天然氣水合物（CH4·8H2O），又名可燃冰。它是由1 個(gè)甲烷氣體分子和8 個(gè)水分子在高壓低溫下結(jié)合在一起形成的白色或灰白色類冰狀結(jié)晶體，因?yàn)樗梢匀紵视值妹扇急Ｆ渚哂袃?chǔ)量大、熱值高的優(yōu)勢(shì)，1 m3可燃冰燃燒釋放的能量相當(dāng)于164 m3的天然氣，并且燃燒產(chǎn)物是水和二氧化碳，對(duì)環(huán)境污染小，所以可燃冰可為新型能源，從而成為煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源的后補(bǔ)能源。

1 可燃冰形成因素、形成過(guò)程及其在我國(guó)的地理分布狀況

可燃冰存在于深海沉積物或陸域的永久凍土中，是由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀的白色結(jié)晶物質(zhì)。它的形成必須有兩個(gè)要素，缺一不可：一是要有甲烷氣源，二是10 MPa 以上的高壓和0 ～10℃的低溫。它的形成過(guò)程與天然氣形似，存于海底深層的大量有機(jī)質(zhì)在無(wú)氧狀態(tài)下，通過(guò)厭氧菌分解有機(jī)質(zhì)，而先形成天然氣。其后大量的天然氣被水分子包裹，且在低溫、10 MPa 以上壓力作用下形成可燃冰。

根據(jù)所需條件，我國(guó)科研工作者于1999年首次在中國(guó)南海北部神狐海域發(fā)現(xiàn)可燃冰；2002年在符合條件的南海西少海槽區(qū)域不斷勘探，發(fā)現(xiàn)有700 億t油當(dāng)量的可燃冰礦藏；2008年，我國(guó)科研工作者又在祁連山凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)可燃冰，也是世界上首次在中低緯度高山凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)可燃冰[1]；2009年，我國(guó)在青藏高原五道溝永久凍土區(qū)結(jié)合祁連山南緣永久凍土帶確認(rèn)有350 億t 油當(dāng)量的可燃冰遠(yuǎn)景資源[2]。2013年，我國(guó)在珠江口盆地東部海域獲得了高純度的可燃冰，這標(biāo)志著我國(guó)可燃冰開(kāi)采技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。此次在南海神狐海域成功開(kāi)采并持續(xù)釋放出天然氣，也標(biāo)志著我國(guó)可燃冰向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展邁出了一大步。據(jù)南海神狐海域可燃冰試采現(xiàn)場(chǎng)指揮部辦公室主任邱海峻介紹，我國(guó)海域可燃冰儲(chǔ)藏量約為800 億t 油當(dāng)量[3]。如果將我國(guó)可燃冰的陸地和海域儲(chǔ)量加起來(lái)，并加以開(kāi)發(fā)和利用，無(wú)疑對(duì)解決我國(guó)能源資源日漸枯竭、保證能源安全是非常有益的。

2 可燃冰的開(kāi)采方法

關(guān)于凍土區(qū)可燃冰開(kāi)采，目前尚無(wú)確切的有效依據(jù)，也無(wú)可借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)為確保新型能源可燃冰的開(kāi)發(fā)和利用，在祁連山凍土區(qū)進(jìn)行可燃冰開(kāi)采試驗(yàn)，項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)已探索出以鉆探為主，地質(zhì)、地球物理、化學(xué)、分析測(cè)試為輔的科學(xué)研究方法[1]。

資料表明，目前尚沒(méi)有一套有效的方案可用于可燃冰的開(kāi)采，開(kāi)采方法還限于理論化，主要有以下5種模式。一是改變平衡溫度的“熱激發(fā)法”（熱解法），就是將外部熱源注入到可燃冰冰層進(jìn)行加熱，使可燃冰受熱分解為甲烷和水。二是改變壓力的減壓法。這種方法就是利用減壓方式促使可燃冰分解，釋放出甲烷。此種方法有一定的優(yōu)勢(shì)，并且成本不高，適合大面積礦藏的開(kāi)采。三是同時(shí)改變溫度、壓力的化學(xué)試劑注入法。這種方法是向可燃冰儲(chǔ)藏區(qū)域注入化學(xué)試劑（通常是甲醇、乙二醇、氯化鈣等），通過(guò)外加試劑來(lái)打破可燃冰的平衡狀態(tài)，促使可燃冰的分解。

四是打破平衡條件的CO2置換法。將CO2液化后注入1 500 m 以下的海洋面，則會(huì)生成二氧化碳水合物，由于它的比重大于海水的比重，于是會(huì)沉入海底，因而可置換出甲烷水合物中的甲烷分子。五是水壓法。此法借助水泵把水注入可燃冰儲(chǔ)層中，相當(dāng)于用水加熱使可燃冰分解出甲烷。如果可燃冰礦藏位于內(nèi)陸區(qū)域，可以引入江河湖泊的水泵入地下的可燃冰礦層中，從而促使可燃冰分解，釋放出甲烷；如果礦藏在海域，則可將海水直接泵入地下的可燃冰礦層。

3 可燃冰與我國(guó)天然氣的互為作用

近年來(lái)，隨著我國(guó)天然氣市場(chǎng)化改革進(jìn)程的不斷加快和順利推進(jìn)，天然氣市場(chǎng)發(fā)展越發(fā)健康，今后幾年乃至幾十年天然氣市場(chǎng)需求和供應(yīng)能力將大幅度提升。隨著大氣質(zhì)量要求不斷提高，各地采暖“煤改氣”的進(jìn)程不斷加快，2017-2018年全國(guó)天然氣消費(fèi)量繼續(xù)保持較快增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)天然氣消費(fèi)量為 2 200 ～2 250 億m3，天然氣進(jìn)口量將繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)，每年以840 億m3的速度不斷遞增，同比增長(zhǎng)約為16.5%[4]。面對(duì)如此大的天然氣缺口，我國(guó)又有儲(chǔ)藏豐富的可燃冰，開(kāi)發(fā)可燃冰從而增加天然氣的供應(yīng)量，減少進(jìn)口天然氣的依賴性勢(shì)在必行，進(jìn)而保證我國(guó)的能源安全。

眾所周知，天然氣的主要成分是甲烷，而可燃冰分解釋放出的氣體主要成分也是甲烷。因此，可燃冰的分解產(chǎn)物可作為天然氣使用。對(duì)于中國(guó)而言，如果可燃冰能夠?qū)崿F(xiàn)成功開(kāi)采，皆可借助輸油氣管線實(shí)現(xiàn)“南氣北輸”“西氣東輸”，讓中國(guó)使用天然氣的省市區(qū)域更加均衡化，這樣對(duì)我國(guó)西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展必將起到強(qiáng)大的支撐作用，同時(shí)也對(duì)中國(guó)的中東部地區(qū)實(shí)現(xiàn)能源供給。

4 可燃冰的應(yīng)用方法

4.1 管線輸送

可燃冰熱值高，對(duì)位于內(nèi)陸區(qū)域的可燃冰礦藏開(kāi)采后，可將它釋放出的甲烷氣體加壓后通過(guò)鋪設(shè)管線并入城市天然氣管網(wǎng)，作為居民燃?xì)庵苯邮褂谩?/p>

4.2 壓縮罐裝

此法將開(kāi)采出來(lái)的甲烷氣體直接加壓存儲(chǔ)在高壓儲(chǔ)罐中，這種壓縮的燃?xì)饧瓤梢越?jīng)減壓后注入城市天然氣管網(wǎng)供居民、企事業(yè)使用，也可以作為工業(yè)燃料直接使用。這種方式獲得的燃?xì)膺€可以長(zhǎng)途運(yùn)輸，根據(jù)不同地區(qū)燃?xì)獾墓┙o狀況，供給季節(jié)等原因造成燃?xì)饩o張的區(qū)域使用。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電

在可燃冰開(kāi)采區(qū)域建設(shè)發(fā)電廠，將開(kāi)采出的可燃?xì)怏w直接用于發(fā)電，然后將產(chǎn)生的電能并入國(guó)家電網(wǎng)供居民、企事業(yè)單位等使用。在遠(yuǎn)離陸地的海域，若使用可燃?xì)怏w發(fā)電，可使用地下電纜法將發(fā)電廠存儲(chǔ)的電能并入電網(wǎng)。而在電廠工作過(guò)程中，冷卻機(jī)組會(huì)產(chǎn)生大量的高溫冷卻水，又可將其重新注入礦層促使可燃冰分解，從而達(dá)到循環(huán)開(kāi)采可燃冰的作用。

5 討論

習(xí)近平總書記曾說(shuō)，綠水青山就是金山銀山[5]。因此，生態(tài)環(huán)境與人們的生活質(zhì)量息息要關(guān)[6]。我國(guó)可燃冰蘊(yùn)藏豐富，儲(chǔ)量巨大，但它穩(wěn)定性極差，在常溫和常壓狀態(tài)下極易分解而釋放出甲烷氣體，一旦分解的甲烷大量進(jìn)入大氣層，必將會(huì)產(chǎn)生比二氧化碳還要嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。因此，可燃冰開(kāi)采有較高的技術(shù)要求，如果選擇錯(cuò)誤的開(kāi)采方法將會(huì)造成巨大的環(huán)境災(zāi)難[7]。

熱激發(fā)法可能會(huì)引發(fā)冰層中甲烷氣體爆炸；加壓法則對(duì)可燃冰開(kāi)采存在區(qū)域要求，只能用于溫度和壓力始終處于平衡狀態(tài)的區(qū)域；對(duì)于化學(xué)試劑法，加入的化學(xué)試劑如果處理不當(dāng)會(huì)進(jìn)入地下水系統(tǒng)，破壞可燃冰開(kāi)采區(qū)域的生物平衡，造成水體污染。因此，每種開(kāi)采方法都有優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)不同的地理位置、環(huán)境和可燃冰的結(jié)構(gòu)，研究人員要具體問(wèn)題具體分析。人們要綜合比較各種技術(shù)的經(jīng)濟(jì)投入、技術(shù)要求、成本和效率，找到開(kāi)采可燃冰的有效方法[8]。通過(guò)查閱相關(guān)資料，筆者認(rèn)為注水法開(kāi)采可燃冰經(jīng)濟(jì)可行。該方法既得到了甲烷氣體資源，又不會(huì)受諸多條件限制，在江河湖海等區(qū)域可直接利用附近水源進(jìn)行開(kāi)采，同時(shí)避免造成地下采空區(qū)，避免引發(fā)地陷等災(zāi)害[9]。

6 建議

為了開(kāi)發(fā)新能源，科研工作者必須時(shí)刻關(guān)注可燃冰的研究與開(kāi)采動(dòng)態(tài)，深化相關(guān)研究，不斷豐富自己的知識(shí)體系，提高工作效率。

6.1 國(guó)家層面

組建研發(fā)團(tuán)隊(duì)，中央領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)要高度重視可燃冰開(kāi)采技術(shù)的攻堅(jiān)人才。制訂相關(guān)政策，確定重大研發(fā)項(xiàng)目，組織研發(fā)工作者打破束縛、全面開(kāi)展科研工作。把工作落實(shí)到每一個(gè)人，強(qiáng)化組織領(lǐng)導(dǎo)，相關(guān)企業(yè)要密切配合，自覺(jué)執(zhí)行國(guó)家的重大科研計(jì)劃。

6.2 科研團(tuán)隊(duì)層面

科研團(tuán)隊(duì)要既分又合，既合又分。要以組為單位制定大課題下的子課題，每小組要逐層突破理論基礎(chǔ)和技術(shù)難題。在現(xiàn)有研究可燃冰知識(shí)體系的基礎(chǔ)上開(kāi)展長(zhǎng)期工作，以技術(shù)攻關(guān)為主，逐個(gè)打破難點(diǎn)，為開(kāi)采打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)堡壘。小組間與團(tuán)隊(duì)間要及時(shí)溝通，遇到問(wèn)題共同協(xié)商，聯(lián)合制定可燃冰開(kāi)采方案[10]。同時(shí)，可與國(guó)際上先進(jìn)的科研機(jī)構(gòu)探討交流，進(jìn)一步拓展可燃冰的知識(shí)體系、經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。

7 結(jié)論

目前，可燃冰開(kāi)采仍處于探索階段，其涉及復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。中國(guó)、美國(guó)、加拿大、印度、韓國(guó)、挪威和日本已開(kāi)始可燃冰的研究計(jì)劃，日本已建成7口探井，美國(guó)希望在海床或永久凍土帶進(jìn)行商業(yè)開(kāi)采。我國(guó)可燃冰儲(chǔ)量豐富，開(kāi)發(fā)潛力巨大。雖然研究起步較晚，但發(fā)展速度和水平已居于世界前列，我國(guó)已在南海海域進(jìn)行了試采。盡管可燃冰的開(kāi)發(fā)、氣體的輸送以及由此引起的環(huán)境問(wèn)題都有待科研工作者進(jìn)一步研究，但可燃冰開(kāi)發(fā)利用的腳步會(huì)逐步向前。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，我國(guó)有望成為新能源領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。