可燃冰特性及海上運(yùn)輸前景

【摘要】可燃冰是公認(rèn)的21世紀(jì)替代能源和清潔能源，開發(fā)利用潛力巨大，因此成為當(dāng)今世界能源開發(fā)與研究的熱點(diǎn)。隨著我國(guó)成功獲得可燃冰實(shí)物樣品，對(duì)可燃冰的研究也拓展到運(yùn)輸行業(yè)。本文簡(jiǎn)要介紹了可燃冰的分布，研究情況，對(duì)可燃冰的海上運(yùn)輸條件進(jìn)行分析，論證了可燃冰海上運(yùn)輸?shù)目尚行?，并?duì)運(yùn)輸前景進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】可燃冰；天然氣水合物；NGH；運(yùn)輸

引言

自1993年我國(guó)由能源出口國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉催M(jìn)口國(guó)以來，能源問題便受到政府與相關(guān)部門的高度關(guān)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(huán)境問題，人們開始意識(shí)到開發(fā)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(jiǎn)介

可燃冰（甲烷冰）學(xué)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?？扇急姆肿邮綖镃H4·8H2O，是一種主要分布在深海沉積物中，呈白色或淺灰色結(jié)晶狀，類似于固態(tài)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(dāng)于164m3天然氣燃燒放熱量，其能量密度同樣也達(dá)到煤的10倍，常規(guī)天然氣的2-5倍?；诳扇急拇鎯?chǔ)量大、能量密度高、污染性低等特性，勢(shì)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(cè)全球可燃冰分布情況之前，各國(guó)科學(xué)家對(duì)可燃冰的形成條件進(jìn)行了相關(guān)的研究，目前廣泛認(rèn)為形成可燃冰需要三個(gè)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(huì)分解，所以0 - 10℃為宜；

（2）壓力條件：可燃冰在0℃時(shí)，需要30個(gè)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(jī)物沉淀，地殼中的碳?xì)浠衔锞商峁庠础?/p>

基于上述三個(gè)條件，科學(xué)家公認(rèn)可燃冰在世界范圍內(nèi)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(guó)科學(xué)家對(duì)天然氣水合物的資源量較為一致的評(píng)價(jià)為2×1016m3，是剩余天然氣儲(chǔ)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(guó)可燃冰資源可分為海洋型與凍土型，我國(guó)南海海域可燃冰儲(chǔ)量約為64.97×1012m3，其中北部陸坡的資源量相當(dāng)于185億噸油、以及南海深水勘探已探明的油氣地質(zhì)儲(chǔ)備的6倍。東海海域可燃冰儲(chǔ)量約為3.38×1012m3。西沙海槽圈定的可燃冰區(qū)域分布面積為5242km2，其資源儲(chǔ)量約4.1億m3 。我國(guó)凍土區(qū)總面積2.15×106km2，可燃冰形成及儲(chǔ)存前景廣闊，其中青藏高原可燃冰儲(chǔ)量相當(dāng)于350億噸油，此外黑龍江省漠河盆地，西藏風(fēng)火山、烏麗地區(qū)、青藏高原羌塘盆地等都在對(duì)可燃冰的分布與儲(chǔ)量進(jìn)行研究。

3、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前可燃冰的開發(fā)及利用還沒有進(jìn)入到商業(yè)化、規(guī)?；纳a(chǎn)階段，但作為一種高能量、低污染的新型清潔能源，對(duì)可燃冰的開采與運(yùn)輸已經(jīng)引起各國(guó)的高度重視，目前對(duì)可燃冰研究走在前列的國(guó)家有美國(guó)、日本。

美國(guó)于80年代開始制訂可燃冰研究計(jì)劃，又于1998年將可燃冰列為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略能源并列入長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃，2012年美國(guó)于阿拉斯加發(fā)掘到可燃冰，并從中安全有效的獲得了穩(wěn)定的天然氣流，在此基礎(chǔ)上美國(guó)加大力度開發(fā)可燃冰項(xiàng)目，計(jì)劃于2015年進(jìn)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(zhàn)略計(jì)劃。2013年3月12日，日本宣布于深?？扇急鶎又刑崛〕黾淄?，成為首個(gè)掌握海底可燃冰采掘技術(shù)的國(guó)家，日本希望于2018年開發(fā)出成熟的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。

我國(guó)于90年代開始意識(shí)到可燃冰作為一種新型清潔能源的重要性，1999年開始對(duì)可燃冰的分布進(jìn)行調(diào)查與研究。“十一五”期間，可燃冰作為大規(guī)模新型能源被列為能源領(lǐng)域研究中的重點(diǎn)研究方向。 2007年6月我國(guó)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(shí)物樣品，成為第四個(gè)采集到可燃冰實(shí)物樣品的國(guó)家。隨后南?？扇急?xiàng)目納入到“973”計(jì)劃中，這也代表著我國(guó)對(duì)可燃冰的重大基礎(chǔ)研究全面展開。

4、可燃冰的儲(chǔ)存與運(yùn)輸

可燃冰的儲(chǔ)存與運(yùn)輸技術(shù)的實(shí)質(zhì)即為對(duì)天然氣的固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)。21世紀(jì)初，我國(guó)天然氣的主要運(yùn)輸方式為管道運(yùn)輸與天然氣液態(tài)化（LNG）運(yùn)輸，但兩種方式在管道建設(shè)與天然氣液化儲(chǔ)存上費(fèi)用耗資巨大，使運(yùn)輸天然氣不具有經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，相關(guān)專家便開始研制將天然氣制成水合物狀態(tài)（NGH）儲(chǔ)存與運(yùn)輸。在大量天然氣長(zhǎng)距離運(yùn)輸技術(shù)的對(duì)比研究中已顯示NGH儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)比LNG儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)節(jié)約資金24%以上，并且NGH技術(shù)具有更高的安全性與環(huán)保性，因此未來會(huì)將NGH技術(shù)作為遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)囊环N手段?？扇急暮Ｉ线\(yùn)輸模式便為NGH技術(shù)之一。

可燃冰可在常壓和低溫（通常為-15℃）的條件下儲(chǔ)存、運(yùn)輸、且氣體逸失不明顯。可燃冰在常壓下的分解只發(fā)生在表面，分解產(chǎn)生的水又覆蓋在其表面，形成了一層冰膜，起到保護(hù)作用，避免了更多分解，專家將此特性稱為自我儲(chǔ)存能力。根據(jù)可燃冰的自我儲(chǔ)存能力，理論上可以將其置于相應(yīng)條件的絕熱儲(chǔ)罐中進(jìn)行存儲(chǔ)、運(yùn)輸。

裝運(yùn)可燃冰的設(shè)備在運(yùn)輸途中不需要承受高壓、低溫，由于可燃冰具有自我儲(chǔ)存能力，同樣不需要特殊的絕熱措施，因此設(shè)備對(duì)建造材料要求不高。可燃冰的運(yùn)輸具有生產(chǎn)成本低，儲(chǔ)存的條件相對(duì)較易實(shí)現(xiàn)，儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中安全性高等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)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(nèi)部有水的存在，加上溫度與壓力的條件便產(chǎn)生了天然氣水合物固體，堵塞管道，專家便開始研制應(yīng)對(duì)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(xué)物質(zhì)改變其平衡條件的化學(xué)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(shù)對(duì)可燃冰進(jìn)行分解。微波技術(shù)可使熱量從可燃冰內(nèi)部產(chǎn)生，十分有利于分解反應(yīng)的進(jìn)行。超聲波技術(shù)則通過超聲空化對(duì)可燃冰進(jìn)行分解，超聲空化越強(qiáng)，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(zhì)物性（如物質(zhì)的狀態(tài)、密度和比熱容）等方面強(qiáng)化超聲空化。

6、可燃冰運(yùn)輸船舶NGH CARRIERS

海上運(yùn)輸可燃冰可分為集裝運(yùn)輸與散裝運(yùn)輸兩種模式。集裝運(yùn)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(jìn)行運(yùn)輸。集裝運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)為專用冷藏箱的絕熱技術(shù)與降低氣體逸失技術(shù)，箱內(nèi)貨物裝卸技術(shù)等，需確?？扇急谡麄€(gè)輸送過程中不會(huì)發(fā)生分解與融化。

散裝運(yùn)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(yùn)輸模式對(duì)可燃冰進(jìn)行運(yùn)輸：

（1）英國(guó)氣體公司研發(fā)出一種工藝方法：將可燃冰裝載在NGH運(yùn)輸船中運(yùn)送，到達(dá)目的地之后，在船上進(jìn)行分解、氣化，分離出來的游離水留在船上用作返航時(shí)的壓艙水；

（2）英國(guó)氣體公司研發(fā)另外一種工藝方法是將經(jīng)過兩次脫水后稠度為1∶1的水合物漿泵入雙殼運(yùn)輸船上的隔熱密封艙進(jìn)行運(yùn)送，該艙壓力為1 Mpa，溫度為2～3℃。這種水合物漿再氣化時(shí)可以得到約為原體積75倍的天然氣。但由于運(yùn)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(yùn)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(yùn)輸工藝。該方法是將可燃冰與已經(jīng)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(yùn)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(chǔ)氣量?jī)H為L(zhǎng)NG的1/4，但與LNG運(yùn)輸需要苛刻的條件相比，可燃冰的運(yùn)輸裝卸顯得更加方便，而且無須復(fù)雜的儲(chǔ)存技術(shù)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(jì)，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(yùn)輸可燃冰的船舶NGH CARRIERS 。

7、結(jié)語(yǔ)

目前可燃冰的研究主要集中在資源的勘測(cè)與評(píng)估，開采模擬與環(huán)境評(píng)價(jià)方面，還沒有進(jìn)入到穩(wěn)定的開采階段，可燃冰運(yùn)輸船NGH CARRIERS也仍處于研究階段沒有獲得實(shí)際應(yīng)用，兩者仍有像可燃冰開采不當(dāng)會(huì)誘發(fā)海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害、開采與運(yùn)輸中甲烷氣體泄漏于大氣中會(huì)造成嚴(yán)重的溫室效應(yīng)等技術(shù)問題需要得到解決。根據(jù)近年來試驗(yàn)性開采的成果和儲(chǔ)存技術(shù)進(jìn)步來看，大規(guī)模開采與運(yùn)輸可燃冰技術(shù)上是可行的，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化只是時(shí)間的問題?？扇急鳛樾滦颓鍧嵞茉淳哂械膬?yōu)勢(shì)必定會(huì)給能源行業(yè)、船舶制造業(yè)、航運(yùn)業(yè)帶來巨大的影響。

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項(xiàng)目基金：（省級(jí)教改項(xiàng)目：海上貨物運(yùn)輸精品課程 項(xiàng)目編號(hào)：3632010211）。