可燃冰的研究現狀與發展前景

摘 要：當今世界，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境挑戰，人均資源匱乏，環境堪憂。當務之急，是找到能大量開發的新能源。新能源有別于傳統的化石燃料，它具有利用效率高、環境污染小的優點。可燃冰是近些年來世界各國相繼發現的一大新型能源。因其優越的燃燒性能和清潔燃燒產物，所以被稱作“屬于未來的能源”。現在闡述可燃冰形成過程并分析總結目前對可燃冰的研究現狀、分析可燃冰的應用對環境產生的利與弊，及對可燃冰的研究開發對未來能源儲備具有重要意義。

關鍵詞：可燃冰；研究現狀；發展前景

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類冰狀結晶物質。天然氣水合物是一種白色固體物質，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，據初步統計，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”這種固態物質是在低溫、高壓環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、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境和地質構造單元內形成。

二、研究方法和開發現狀

隨著全球能源危機的日趨嚴峻，尋求新的接替能源已經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。標準狀態下，它會以164：1的體積比分解為氣體和水，能量密度高達常規天然氣的2～5倍，比煤多9倍，并且所含雜質較少，燃燒后幾乎不產生污染性物質，符合清潔能源的標準。也正是由于其埋藏淺、能量密度高、潔凈等優點，它一直深深地吸引著各國科學家們的眼球。而主要勘探方法有地震勘探法、地球化學法及地質勘探法，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。國外學者們專門采用數值方法研究CO，地質封存技術，輔助分析可燃冰的動力學特性、穩定性等，并對該方法的使用地域性進行了分析。目前開采方法技術復雜，速度慢，費用高，而且海洋中水合物的壓力較高，實現管道合理布設、天然氣的高效收集較困難。開采過程中保證海底穩定、使甲烷氣體不泄露是關鍵，日本對此提出了“分子控制”方案，美國在2005年成功模擬生產海底可燃冰，目前各國尚無成熟的大規模商業開采方法。海洋可燃冰的開采技術主要有兩種思路。一是與傳統油氣開采結合，通過降壓、注熱、注化學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。其優點在于，海底以上的部分可以直接采用現有的油氣開采技術，只需開發提高可燃冰分解效率的技術即可。其缺點是，需注入大量的能量或化學藥劑，開采的效率不高，同時可能帶來環境危害。另一種是固態開采，即將可燃冰以固體形態輸送到海底面，進行初步泥沙分離后采用固—液—氣三相輸送技術，將固態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，或將分解得來的氣體重新制成可燃冰固體轉入船運。其優點是，輸送過程中分解的氣體可以產生自發向上的動力，因此開采效率很高。但該技術與現有油氣開采技術差別較大，需要全面開發，技術難度較大。不過，類似技術已經在其他海洋資源（如金屬錳）的開發中成功應用，為其在可燃冰開采領域的應用提供了重要參考。

作為世界上最大的發展中的海洋大國，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變為凈進口國， 1999年進口石油4000多萬噸， 2000年進口石油近7000萬噸，預計2010石油缺口可達2億噸。因此急需開發新能源以滿足我國經濟的高速發展。

三、利弊及發展前景

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物質，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的最大新型能源。雖然可燃冰在資源方面的優勢顯得非常突出，但它的開發與利用勢必會繪人類今后的生活帶來一系列的不利影響。可燃冰與全球溫室效應之問有著密切的聯系。據統計，CH4的溫室效應要比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，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，大氣的溫室效應的加劇將形成惡性循環。海底可燃冰的不斷分解將導致斜坡穩定性降低進而使得海底滑坡現象日趨嚴重。破壞海洋中的生態平衡。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生化學反應，從而導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，進而破壞海洋生態平衡。

從上述分析來看，“可燃冰” 的開發會對環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定全球氣候產生積極的作用。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，從而全球氣候持續變冷得到了有效控制。因此，天然氣水合物又成為了穩定全球溫度的一個重要因素。

“可燃冰”的研究意義重大，但其開發有利有弊。總之，沒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對于全球環境帶來的影Ⅱ耐之前，大量開采、投人生活只能作為美好的設想。但我們有理由相信，隨著常規能源的入不敷出和科學技術的不斷發展，可燃冰作為未來社會龐大的能源儲備在人類發展的進程中必將發揮重大作用。

結語：

可燃冰儲量豐富，對環境污染小，是優良的未來能源，目前科學技術難以實現可燃冰的大量開采，仍需科學技術的發展，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。