天然氣水合物研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

楊 杰，胡 楠

（長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710064）

1 天然氣水合物概況

天然氣水合物是一種白色固體結(jié)晶物質(zhì)，外形像冰，有極強(qiáng)的燃燒力，可作為上等能源，俗稱為“可燃冰”。天然氣水合物由水分子和燃?xì)夥肿訕?gòu)成，外層是水分子格架，核心是燃?xì)夥肿?。燃?xì)夥肿涌梢允堑蜔N分子、二氧化碳或硫化氫，但絕大多數(shù)是低烴類的甲烷分子，所以天然氣水合物往往稱之為甲烷水合物。據(jù)理論計(jì)算，1 m3的天然氣水合物可釋放出164 m3的甲烷氣和0.8 m3的水。

天然氣水合物是天然氣和水在比較低的溫度和足夠高的壓力下形成的固態(tài)結(jié)晶物質(zhì)，所以其存在環(huán)境大多是在水深超過(guò)300 m的海底沉積物中和永久凍土中。海底天然氣水合物若要維持其固體狀態(tài)，就必須依賴于水層的巨大壓力。其垂直深度上的分布范圍一般是從海底至其下2 000 m，超過(guò)此深度其固體狀態(tài)則難以存在。因?yàn)殡S著地層溫度的升高該固體狀態(tài)很容易遭到破壞。

2 天然氣水合物的研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

早在 1810年化學(xué)家達(dá)威首次在倫敦皇家研究院實(shí)驗(yàn)室成功地合成了氯氣水合物，引起了化學(xué)家們的極大關(guān)注。但是直到Hammerschmidt于1934年發(fā)現(xiàn)堵塞天然氣輸送管道的物質(zhì)就是天然氣水合物時(shí)，石油地質(zhì)學(xué)家和化學(xué)家才把注意力集中到天然氣水合物的研究上來(lái)。但當(dāng)時(shí)研究的目的只是為了解決管道堵塞問(wèn)題。直到20世紀(jì)60年代蘇聯(lián)在開(kāi)發(fā)麥索亞哈氣田時(shí)，首次在地層中發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物藏，人們才開(kāi)始把氣體水合物作為一種燃料能源進(jìn)行研究。80年代以來(lái)，許多國(guó)家都在天然氣水合物調(diào)查研究方面給予了高度重視，各國(guó)政府從能源儲(chǔ)備戰(zhàn)略角度考慮，紛紛制定了長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃和實(shí)施計(jì)劃，全球興起一個(gè)深入開(kāi)展天然氣水合物調(diào)查研究的熱潮。據(jù)資料顯示，迄今已至少在全球116個(gè)地區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物，其中陸地38處（永久凍土帶），海洋78處。

聯(lián)邦德國(guó)于20世紀(jì)80年代與印尼等國(guó)對(duì)西南太平洋的邊緣海進(jìn)行過(guò)聯(lián)合研究，在莽拉威西海發(fā)現(xiàn)海底天然氣水合物的識(shí)別標(biāo)志。目前，德國(guó)正在籌劃大規(guī)模的國(guó)家研究計(jì)劃，可能計(jì)劃與俄羅斯合作研究鄂霍茨克海的海底水合物。

發(fā)展中國(guó)家印度也在政府五年計(jì)劃（1996～2000年）中投入5600萬(wàn)美元，在其東、西部近海開(kāi)展天然氣水合物的調(diào)查研究工作。同時(shí)，印度于2006年5月取得海上水合物巖心。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)在天然氣水合物研究方面起步較晚，直到20世紀(jì)80年代末才開(kāi)始關(guān)注，前期工作也僅僅局限于對(duì)國(guó)外資料的簡(jiǎn)單的收集和整理，由于受到政府的高度重視和大力支持，現(xiàn)已成為熱點(diǎn)研究課題。1990年，對(duì)天然氣水合物的研究來(lái)說(shuō)是具有里程碑意義的一年。由于國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室中科院蘭州冰川研究所凍上工程的科研人員與其合作伙伴莫斯科大學(xué)凍土專業(yè)的學(xué)者聯(lián)合研究，標(biāo)志著我國(guó)對(duì)天然氣水合物的研究全面展開(kāi)。目前，天然氣水合物研究工作進(jìn)入到實(shí)際調(diào)查評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)?zāi)M階段。

2007年5月1日，國(guó)土資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在中國(guó)南海北部成功鉆獲天然氣水合物實(shí)物樣品。在南海發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的神狐海域，成為世界上第24個(gè)采到天然氣水合物實(shí)物樣品的地區(qū)，是第22個(gè)在海底采到天然氣水合物實(shí)物樣品的地區(qū)，是第12個(gè)通過(guò)鉆探工程在海底采到水合物實(shí)物樣品的地區(qū)一，成為繼美國(guó)、日本、印度之后第四個(gè)通過(guò)國(guó)家級(jí)研發(fā)計(jì)劃采到水合物實(shí)物樣品的國(guó)家，是在南海海域首次獲取天然氣水合物實(shí)物樣品的國(guó)家。

總結(jié)前人資料，天然氣水合物的應(yīng)用前景主要有車用燃料、天然氣水合物運(yùn)輸兩個(gè)方面。

2.2.1 車用燃料

目前天然氣汽車使用的燃料大多是壓縮天然氣，其缺點(diǎn)在于存儲(chǔ)壓力高和行程短。為克服這些缺點(diǎn)，美國(guó)已試驗(yàn)將天然氣水合物作為車用燃料，其平衡壓力僅為4 MPa，遠(yuǎn)低于通常所需的10 MPa。天然氣水合物具有高濃度、高能量密度、高存儲(chǔ)效率等優(yōu)點(diǎn)，因此行駛距離長(zhǎng)，比壓縮天然氣汽車、液化天然氣汽車和活性炭吸附天然氣汽車更具優(yōu)勢(shì)。這個(gè)方案面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是如何使天然氣水合物快速分解以滿足內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的需要。

2.2.2 天然氣水合物運(yùn)輸

目前海上天然氣主要采用液化天然氣（LNG）方式運(yùn)輸，液化天然氣需要高壓和深冷技術(shù)，設(shè)備規(guī)模大，投資成本高。將其合成為天然氣水合物后再運(yùn)輸不僅能降低成本，而且技術(shù)可行性優(yōu)于液化天然氣、甲醇以及合成油技術(shù)。天然氣水合物是固體，體積不能在短時(shí)間內(nèi)突然膨脹，分解后天然氣可全部釋放，既能有效地提高天然氣的儲(chǔ)存規(guī)模和效率，還不會(huì)造成環(huán)境污染。

3 結(jié)束語(yǔ)

作為一種極具潛力的清潔能源，天然氣水合物研究尤其是開(kāi)采研究對(duì)于未來(lái)能源具有重要的戰(zhàn)略意義。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和人類對(duì)能源需求的增長(zhǎng)，天然氣水合物這一非常規(guī)能源定會(huì)在未來(lái)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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[2]潘一，楊雙春.天然氣水合物研究進(jìn)展[J].當(dāng)代化工，2012（4）：401－404.

[3]劉剛，李朝偉.天然氣水合物研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（3）：60－64.