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2000年9月11日 星期一
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[2000-09-11] 可燃冰人類能源新希望

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天然可燃冰在燃燒

●油價急升,全球性能源短缺狀況逐步加劇之際,各國專家對一種叫做「可燃冰」的物質加緊進行研究。這種物質的總能量是煤、石油和天然氣的三倍,很可能成為人類新的後續能源……

文:本報記者 劉穎

 近日,國際原油的價格攀升到了十年來的最高水平,西方原油商業庫存也降到九年來的最低點,再次引發了人們對爆發能源危機的擔心。

 與此同時,世界各國的專家正在對一種叫做「可燃冰」的物質加緊研究,據說這種物質的總能量將是煤、石油和天然氣的三倍,很可能成為人類新的後續能源來源。目前,美國和日本已經提出,在二零一零年,要實現對可燃冰的大規模開採。

可燃冰是什麼?

 正如其名,可燃冰的外表像冰霜,但可以冒氣泡,用火一點就可以燃燒。在學術上,它被稱為「天然氣水合物」,是水與天然氣相互作用形成的晶體物質,也可以說是天然氣的一種非常規形態。

 專家介紹其微觀形態時說:可燃冰的分子結構就像一個一個的「籠子」,若干水分子組成一個籠子,每個籠子堶情u關」一個天然氣分子。其實,可以關進籠子的分子除了甲烷(天然氣的主要組成分子)外,還可以是二氧化碳、氮氣、硫化氫等小分子的氣體,它們被統稱為氣水化合物。但個頭兒太小或是太活躍的氣體分子,如氦、氖和氫,可以在籠子的縫隙間隨意穿梭而不能被固定住,所以形不成氣水化合物。

 可燃冰在學術上是這樣被定義的:天然氣水合物是在一定條件下由水和天然氣組成的類冰結晶化合物,其化學成分不穩定(即是成分可變的化合物),可用M•nH2O表示,M為水合物中的氣體分子,n為水分子數。

 可燃冰有很強的濃縮(吸附)氣體的能力,一體積的可燃冰可以分解為一百六十四體積的天然氣和零點八體積的水,是其他非常規氣源岩(諸如煤層、黑色頁岩)能量密度的十倍,為常規天然氣能量密度的二至五倍。用天然氣生產的化肥、化纖等物品,都可以使用可燃冰製造。

多存在於海底

 形成可燃冰需要一定的客觀條件,包括提供天然氣的氣源、低於二十攝氏度的溫度和足夠大的壓力。在零度時,需要三十個大氣壓才可以生成可燃冰。

 自然界中,符合這種條件的地帶主要有兩種:海底和高緯度地區。原蘇聯科學院院士特羅菲姆克認為:有利於天然氣水合物形成條件的地區佔陸地面積的百分之二十七,其中大部分分布在凍結岩層;在百分之九十的世界洋中都具備氣水合物生成的有利溫度和壓力條件。

 在海洋堙A可燃冰形成較適合的溫度和壓力一般出現於大陸斜坡和陸隆區以及全球深海平原的淺層沉積物中,一般限定在距海面至少水深三百至六百米的範圍。可燃冰層覆誚b岩砂層的上面,據專家初步估算,這種化合物在世界各大洋中均有分布,其總面積約佔大洋面積的十分之一,相當於四千萬平方公里,是迄今為止被認為海底最具價值的礦產資源。

 在陸地上,適合可燃冰形成的溫度壓力條件的地質環境主要是高緯度永凍區(包括陸上和近海)、大陸斜坡和大洋盆地。可燃冰不僅可以存在於永凍區中,而且可以出現於冰點溫度以上的永凍層下面。世界上幾個永凍區已經發現了大量的可燃冰,包括西西伯利亞、加拿大馬更些三角地區以及阿拉斯加北斯洛普地區。據估計,全世界永凍區可燃冰資源中的甲烷氣儲量高達一億億立方米。

 專家還指出,釵h行星上都有可燃冰。一些天文學家和行星學家已經認識到在巨大的外層天體(如土星、天王星)及其衛星中,可燃冰是重要的化合物。這種化合物也很可能存在於包括哈雷彗星在內的彗星頭部。

高壓管道中的「不速之客」

 早在一八一零年,可燃冰就由H.Davy在實驗室媯o現了。而自然界中的可燃冰最早是在二十世紀三十年代作為不速之客被人認識的,這種氣水合物的生成和沉澱常給高壓輸氣管道、氣井和一些工廠設備帶來釵h麻煩,於是工廠請來專家預報它在管道中的形成,並研究如何消除這種令人討厭的「管道堵塞」。

 世界上第一個氣水合物礦田——原蘇聯的麥索亞哈氣田中可燃冰的發現也極其偶然。這個氣田的礦井本來是為開採可燃冰層下面的天然氣而打的,在打井的過程中,需要勘測地下的地質情況,結果學者們發現有一層的溫度比預計的要低得多,並存在冰一樣的物質,也就是可燃冰。據分析,這個可燃冰層堶悸漸眚J,正是來自於下面的天然氣層。甲烷氣通過縫隙天長日久地向上面滲透,遇到了適宜的凍土層,逐漸形成了天然氣水合物。現在,氣田中當初以游離態形式存在的天然氣已經被採空了,所有的產量都來自可燃冰。在最高峰時期,這個礦田每年可產三十億立方米天然氣。

 據中國科學院院士戴金星介紹,目前世界上已經掌握了多種勘測可燃冰的方法。最簡單而常用的是地震波法,即將地震波在岩石層和天然氣水合物層反射的差異記錄在檢波器中,由於天然氣水合物是在海底最靠上面的一層,所以用這種測定方法速度最快,水、陸通行。在中國南海的西沙海槽地區,去年用這種方法勘探了一百多公里的海洋波面,發現大約有三分之一面積的地震反射波的特徵與天然氣水合物的地震反射波特徵很相像,專家就此推斷那埵s在著豐富的可燃冰礦藏。

 其次是採用聲速法,因為聲波在海水、天然氣水合物和岩石層之中的傳播速度都不一樣,氣水合物存在時聲波傳遞速度顯著增加。這是花銷最節省的一種方法。

 再有就是地球物理及化學法。根據擴散原理,富含甲烷的天然氣水合物層中肯定會有一定數量的氣體擴散出來,使得局部甲烷的含量高於周圍地區,而且濃度最大的區域對應的一定是礦藏的中心位置。通過測量多個點,可以將含量數值相同的點連接,在圖上繪出一圈套一圈的地球化學暈,從而畫出礦藏的圖示。

 世界上雖然在很多地方勘測出了可燃冰礦藏,但真正投入工業性生產的只有原蘇聯的麥索亞哈氣田,開採,尤其是海上的開採技術一直是阻礙各國步伐的因素。

開採涉及環保問題

 可燃冰藏開採的原理是先將氣水合物分解成氣和水,然後再收集氣。分解方法有:降壓法——特別適合於氣水合物層位於天然氣藏上部的情況;熱激發法——注入熱水、鹵水或水蒸氣;注入抑制劑法;應用微波技術破壞晶體結構法;將核廢料埋入地層法。

 但收集海中的氣體卻十分困難。海底的可燃冰是大面積存在著的,分解出的甲烷氣很難聚集到一起,而甲烷的溫室效應比二氧化碳要大二十一倍,一旦分解出來的氣體由海水進入了大氣層,全球的溫室效應將迅速擴大,後果不堪設想。

 戴金星教授還指出,除了環境問題,海底開採還會涉及到工程問題。海底本來處於平衡的狀態,如果挖去其中的一部分,周圍的可燃冰固體會流向這個空缺造成滑坡,而海底鋪設的通訊電纜通常就埋藏在這個層面,電纜很可能因此受到破壞,而滑坡還會對航行造成危險,對魚的生長造成影響。

 目前來看,可燃冰的開採成本還比較高,在經濟上不划算。但隨著技術的發展,專家預計用十年左右的時間可以將成本降低到值得投入工業生產的水平。但無論使用何種方法,事前的大量評估都是非常必要的。

西方國家捷足先登

 自二十世紀六十年代以來,西方國家一直沒有間斷對可燃冰的研究工作。從六十年代開始,前蘇聯、美國、德國、荷蘭相繼開展了天然氣水合物結構和熱動力學研究。七十年代初,在美國阿拉斯加北部採得了世界上第一個天然產出的天然氣水合物樣品。七十年代末,在中美洲海槽執行大洋鑽探計劃時,首次從該海域中發現有九個海底鑽孔含有天然氣水合物,由此人們對它研究的興趣倍增,拉開了大規模綜合研究天然氣水合物的序幕。

 從八十年代開始,天然氣水合物的研究進入全面實施階段。前蘇聯、美國和加拿大等工業化國家依靠其優越的自然地理條件和先進的工業技術,在此領域捷足先登,進行了多學科、多方法的全方位綜合研究。

 進入九十年代,這個研究領域在世界範圍內迅速擴大,日本、英國、挪威、印度和巴基斯坦等國紛紛加入研究行列,研究重點也轉向了實用開發階段。

 日本雖然是此項研究起步較晚的國家,但由於日本缺乏石油和天然氣資源,又在日本南海海槽探測到了世界罕見的高含量天然氣水合物礦藏,因此十分重視相關的研發工作。國家為此制定了一九九五至一九九九年度的五年計劃,投資九百萬美元,由日本國家石油公司技術研究中心和一些私人公司聯合執行。

 作為增加本國天然氣供應計劃的一部分,印度石油工業開發部也指定撥款零點五六億美元,用於實施天然氣水合物勘探計劃,並制定出國家天然氣法律。

中國著手研究開發

 中國是世界上第二耗能大國,尋求潛力大、效能高和低污染的潔淨能源一直是政府和科技界急待解決的重大課題,但中國還沒有真正開採出天然的可燃冰,研究工作也落後西方國家很多。一九九零年,中國科學院蘭州凍土研究所凍土工程國家重點實驗室的研究人員曾與莫斯科大學凍土專業學者成它a進行了天然氣水合物室內人工合成試驗。在一九九二年,學者史斗等人將當時國外有關天然氣水合物研究的資料進行整理精選,翻譯出版了中國第一部關於天然氣水合物研究的中文資料《國外天然氣水合物研究進展》。

 一九九八年,中國完成了「中國海域氣體水合物勘測研究調研」課題,首次對中國海域的天然氣水合物成礦條件及找礦遠景做了總結。據專家分析,青藏高原的羌塘盆地和東海、南海、黃海的大陸坡及其深海,都可能存在體積巨大的可燃冰。蘭州地質所的一位學者還正在申請自然科學基金,希望在東北尋找到可燃冰,不僅因為東北凍土帶具備形成條件,而且在那媔}採是最現實可行的。

 據悉,國家已經開始將天然氣水合物的研究列為國家研究開發計劃,進行資源勘察、開採和運輸的研究。中科院蘭州凍土所、廣州能源所、地質科學院、國家土地資源部和中國地質大學已經啟動。

 目前,戴金星教授正在申請組織有關水合物的會議。他表示,中國的溫州現在還在進口液化天然氣。中國如果不積極開展相關研究、開採工作,等外國國家搶佔了自己的天然氣市場,中國再發展就要困難很多。

百慕達的神秘殺手?

 據專家推測,可燃冰與神秘的百慕達三角有著密切的聯繫。百慕達三角是有野生生物繁殖的熱帶海洋,很多有機生物死後沉到了洋底,在適宜的條件下形成可燃冰。而位於地球板塊交界地區的百慕大三角的地質層很不穩定,海底地震散發的熱量使得可燃冰極易分解。

 「而可燃冰在熱水中上移時迅速地、幾乎是爆炸般地發生分解,一定體積的固態氣水合物就可以產生一百至一百五十倍於這個體積的氣體,形成密度僅為零點一的幾乎都是氣的氣水合物。輪船、飛機、軍艦陷入這種環境就會沉到洋底,就像一塊石頭掉到水堣@直會沉到底一樣。」原蘇聯科學院的地質——礦物學博士察廖夫這樣形容道。「此外,百慕大三角的景象還有:轟鳴聲、爆炸聲和閃光,然後是寂靜、空曠和虛無。」

 把百慕達的神秘殺手歸於可燃冰也並非是空穴來風,因為它的分解確實是海底地質災害的誘發因素。現在已經查明,西非南部大陸斜坡和海底高原、挪威大陸邊緣、英屬哥倫比亞灣、阿拉斯加北部Beaufort海大陸邊緣、美國東海岸及地中海中西部沙丁島與柯西嘉島西南側海底等海域的滑塌、滑坡和濁流作用,以及堮和巴拿馬北部近海的海底泥火山,都是海底天然氣水合物分解所致。

天然氣儲量高污染低

 被稱為「二十一世紀的能源」的天然氣,最大的優勢在於它是一種清潔的能源。

 燃燒天然氣幾乎不會產生有害的污染物質,尤其是生成的致癌物質二氧化硫要比燃燒原油或煤低兩個數量級(詳見附表)。

 據估計,目前世界上已探明的原油佔總原油量的近百分之八十,還可使用四十年;已探明的常規天然氣佔總儲量的百分之六十,還可使用六十年。

 而以水合物等非常規形態存在的天然氣,其儲量預計是常規儲量的二點六倍,如果全部開發利用,使用一百年不成問題。

 在中國使用的能源中,天然氣只佔百分之二,而世界的平均水平為百分之二十三。

 專家認為,利用能源的結構反映出一個國家的工業水平和生活水平。

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