新型潔凈能源可燃冰的研發(fā)現(xiàn)狀

徐東君

摘要：進(jìn)入21世紀(jì)以來，可燃冰憑借其優(yōu)良的清潔性能得到了全世界的認(rèn)可，被視為新時(shí)期最具潛能的清潔能源?？扇急€可以被稱作天然氣水合物、甲烷水合物、固體瓦斯，化學(xué)性質(zhì)極其活波，遇火即焚，反應(yīng)后生成CO2和H2O。所以，在可燃冰的開采和儲(chǔ)存并不是一件易事，后續(xù)使用還可能會(huì)涉及到溫室效應(yīng)等環(huán)境問題。本文就可燃冰的研發(fā)現(xiàn)狀做出客觀分析，以期為可燃冰的后續(xù)利用提供可靠的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：可燃冰；清潔能源；化學(xué)性質(zhì)；溫室效應(yīng)；

引言

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全世界可燃冰的儲(chǔ)備量達(dá)到了驚人的2x1016立方米，而天然氣的儲(chǔ)備量則有1.56x1014立方米，前者是后者的130倍之多，另外，每立方米可燃冰可以釋放出的天然氣量高達(dá)170立方米。這就意味著，在地球上，僅僅可燃冰的儲(chǔ)存量就足夠人們使用1200之久。目前，全球范圍內(nèi)約有80多個(gè)國家已將可燃冰的專項(xiàng)研究提上日程，我國也于上世紀(jì)末開始了可燃冰的項(xiàng)目研究，并取得了十分客觀的研究成果，整體水平已位居世界前列。

一、可燃冰簡介

可燃冰是在強(qiáng)壓、低溫的條件下形成的甲烷與水的混合物。在自然界中，可燃冰以固體的形態(tài)深埋在地球的凍土地帶和深海領(lǐng)域?？扇急哂泻芨叩哪芰棵芏?，約是煤的10倍、天然氣的4倍?？扇急幕瘜W(xué)反應(yīng)式為：CH4*xH2O+O2→CO2+H2O?？梢姡扇急紵屎芨?，生成物只有H2O和CO2，沒有其他任何污染性氣體和廢棄物。

可燃冰也可以說是天然氣和水的混合體?？扇急瘜W(xué)式CH4*xH2O中的x表示可燃冰的水合指數(shù)，表示水分子的參與量。另外，可燃冰其他組成部分并不全是甲烷CH4，還有乙烷C2H6、丙烷C3H8、丁烷C4H10等同系物的存在。但是，其中甲烷CH4分子的含量已經(jīng)超過99%，接近100%。所以，我們?cè)倜扇急鶗r(shí)，通常會(huì)將其他微量成分忽略不計(jì)，直接稱之為甲烷水合物，化學(xué)式為CH4*xH2O。

二、我國可燃冰能源儲(chǔ)量分布現(xiàn)狀

早在1990年，我國已經(jīng)開始了對(duì)境內(nèi)可燃冰儲(chǔ)量的勘探。但是由于技術(shù)水平有限，第一次勘探兼合成實(shí)驗(yàn)是中國科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所在莫斯科大學(xué)的協(xié)助下完成的。至1999年，我國已經(jīng)有了獨(dú)立對(duì)可燃冰進(jìn)行研發(fā)的技術(shù)了，同年，我國各大科研組織，包括中石油、中化、中國地質(zhì)大學(xué)、中科院各地分院等，紛紛響應(yīng)國家號(hào)召，在全國范圍內(nèi)開始了可燃冰儲(chǔ)量的勘探工作，并取得了顯著的成績?，F(xiàn)階段，我國境內(nèi)可燃冰分布及儲(chǔ)量現(xiàn)狀如表2-1所示：

三、我國可燃冰能源開采現(xiàn)狀

2007年，我國首次試水可燃冰資源開采項(xiàng)目，并在南海區(qū)域的神狐海域設(shè)置了8個(gè)可燃冰實(shí)驗(yàn)性開采鉆井分別標(biāo)記為SH1、SH2……SH8，其中第2、第3、第7這三處鉆井平臺(tái)都有開采出可燃冰資源，這是第一次在我國境內(nèi)開采出可燃冰資源。我國也成為繼日本、美國、印度之后第四個(gè)獨(dú)立開采出可燃冰資源的國家，標(biāo)志著我國的可燃冰研發(fā)水平已經(jīng)處于世界領(lǐng)先行列。

此后幾年，我國在可燃冰能源開采工作上屢有建樹。2008年，我國在青海祁連山凍土帶成功開采可燃冰樣本能源100小時(shí)，這也是世界上首次在低緯度凍土地帶開采出可燃冰；2009年，我國完全自主研發(fā)的海底勘探機(jī)器人正式下水，參與可燃冰能源的海底分布調(diào)查工作；2010年，科研人員得出確切數(shù)據(jù)顯示，先前在神狐海域獲取可燃冰能源的三個(gè)點(diǎn)，其可燃冰能源飽和度分別為25%、45%、40%，這是世界范圍內(nèi)有史以來可燃冰含量最高的一次；2013年，我國科研團(tuán)隊(duì)在東海區(qū)域珠江口盆地附近設(shè)置了23個(gè)可燃冰鉆井平臺(tái)，其中4個(gè)鉆井確認(rèn)開采出可燃冰能源。2017年，我國南海北部神狐海域的可燃冰能源自同年5月份以來，可以保持日均1.6×104立方米的量，單日最高開采量達(dá)3.5×104立方米，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)7天達(dá)到開采國標(biāo)的壯舉。

四、可燃冰相關(guān)開采技術(shù)現(xiàn)狀

可燃冰相關(guān)開采技術(shù)包括兩個(gè)方向：一個(gè)是開采前可燃冰分布情況探測技術(shù)；另一個(gè)是可燃冰CH4提取技術(shù)，也是真正意義上的可燃冰開采技術(shù)。

（1）可燃冰分布探測技術(shù)

目前，在可燃冰分布情況的探測上有兩種技術(shù)比較突出。第一種是X 射線衍射技術(shù)：該技術(shù)主要用于可燃冰物理結(jié)構(gòu)的分析和化學(xué)成分的分析，在可燃冰結(jié)構(gòu)類型鑒別和晶格參數(shù)測量兩個(gè)方向作用頗大，可進(jìn)行可燃冰沉積物圍觀狀態(tài)的位置探測。第二種是海底可燃冰地震識(shí)別技術(shù)：該技術(shù)應(yīng)用的是地震反射原理，通過對(duì)海底放射地震波，從截獲的反射波動(dòng)情況去分析海底可燃冰能源的分布情況。

（2）可燃冰開采技術(shù)現(xiàn)狀

可燃冰在自然界一般以固體形態(tài)存儲(chǔ)在海底和凍土帶，且其開采工作需要克服高壓、低溫等極端惡劣的環(huán)境問題。目前，為滿足可燃冰多種類開采環(huán)境的要求，已有多種可燃冰開采技術(shù)被研發(fā)出來，具體如下：

1）熱激發(fā)法：利用高溫蒸汽、高溫液體（水為主）等諸如可燃冰儲(chǔ)存層，促使可燃冰升華變氣體，進(jìn)而達(dá)到開采的目的，適用于壓力穩(wěn)定的開采環(huán)境；

2）降壓法：通過控制可燃冰存儲(chǔ)層的壓力而達(dá)到開采可燃冰的目的，但開采要求比較嚴(yán)格，需要溫度與壓力都在平衡臨界點(diǎn)，否則沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值；

3）化學(xué)抑制劑法：將鹽水作為催化劑注入到可燃冰的存儲(chǔ)層，促使可燃冰釋放CH4氣體。本方法效率較高，但成本也相應(yīng)較高；

4）置換法：用CO2置換可燃冰中的CH4，置換后的CO2還可以繼續(xù)保持原存儲(chǔ)層的壓力穩(wěn)定；

5）雙水平井熱水注入法：由熱激發(fā)法演變而來，利用兩口平行鉆井，一口井注入熱水，一口井冒出可燃冰升華氣體，對(duì)可燃冰純度要求較高。

除去以上介紹的開采方法之外，還有循環(huán)蒸汽熱激勵(lì)法、部分氧化法、電加熱輔助降壓法、置換輔助降壓法、冷鉆熱采法等，都為可燃冰的開采方法提供了可選擇的余地。

五、結(jié)語

目前，可燃冰研發(fā)工作尚處于一個(gè)初級(jí)階段，面臨著開采成本高、開采技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)、容易造成溫室效應(yīng)等一系列問題，這也是可燃冰后續(xù)研發(fā)工作需要努力突破的難關(guān)。另外，盡管可燃冰存儲(chǔ)量驚人，但其實(shí)際應(yīng)用效果遠(yuǎn)達(dá)不到理想水平，況且傳統(tǒng)石油能源仍是現(xiàn)階段可利用能源的主導(dǎo)，所以希望所有國家和地區(qū)能達(dá)成環(huán)保共識(shí)，從根本上減緩地球環(huán)境的惡化。

參考文獻(xiàn)：

[1]張寒松.清潔能源可燃冰研究現(xiàn)狀與前景[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2014（08）：54-58.

[2]孫玉清，李靜，王茜.可燃冰發(fā)展現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)化前景[J].經(jīng)濟(jì)研究參考，2014（50）：13-16+31.

[3]宗新軒，張抒意，冷岳陽，李永峰.可燃冰的研究進(jìn)展與思考[J].化學(xué)與黏合，2017，39（01）：51-55+64.

[4]付亞榮.可燃冰研究現(xiàn)狀及商業(yè)化開采瓶頸[J].石油鉆采工藝，2018，40（01）：68-80.