可燃冰為啥可以燒著,儲量有多大,對人類的未來有多重…


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可燃冰為啥可以燒著,儲量有多大,對人類的未來有多重要?

  • 先說說可燃冰是什麼。

可燃冰,顧名思義就是可以燃燒的冰。冰怎麼能燃燒呢?這就要學點化學知識了。可燃冰的化學式為CH?·nH?O,是天然氣與水形成的類冰狀結晶物,在高壓低溫條件下形成,其外觀看起來像冰,遇到火即可點燃,因此就叫“可燃冰”。但這只是俗稱,其正式化學名叫“天然氣水合物”。

這里特別要說明一下,可燃冰並不都是晶瑩剔透的冰雪狀,大多數情況下天然氣水合物在地底下是與泥沙混合在一起的,比如在南海神狐海域採集起來的就是一種泥質粉砂狀的物質,有點像黏土。由於這種礦藏滲透力較差,因此開採難度較大,出氣強度、持續性、防砂防堵要求都很高。

可燃冰是一種清潔能源,比使用石化燃料的污染小多了,因此是人類未來石化燃料的理想替代能源。

  • 可燃冰的熱當量。

可燃冰是世界近年來越來越火的一種新能源,由於其儲量大,熱值高,在石油煤炭資源越來越匱乏,人類面臨能源危機的情勢下,對可燃冰的期待越來越高。可燃冰是由水和天然氣在高壓低溫下結晶而成,其比重約為0.9g/cm^3,略低於水和水冰,每個立方米可燃冰含有0.8m^3的水,可轉化釋放出160~180m^3天然氣。

根據油氣標準當量,石油原油的熱值與天然氣熱值對比,每噸原油相當於天然氣1255m^3,為了方便計算,一般會把1噸原油約等於1000m^3天然氣來比較。這樣我們就可以得出,1m^3可燃冰,約相當於原油0.16噸,或者說約6.25m^3可燃冰,可等值1噸原油。

  • 可燃冰的發現過程。

最早提出可燃冰這個概念的是美國人哈默·施密特,他在一個被堵塞的輸氣管道中發現罪魁禍首是一塊可燃燃燒的冰塊,這是人類首先發現這種甲烷氣水化合物。在此之前,1810年,英國化學家漢弗來.戴維爵士率首次在實驗室發現過這種物質。

1946年,蘇聯學者斯特里諾夫提出了可燃冰在自然中可能存在的概念,他認為只要有適當的低溫和壓力,就能夠形成這種礦藏;1968年,前蘇聯地質學家們在寒冷的西伯利亞發現了可燃冰的礦藏。

1972年,美國人首次在阿拉斯加的永凍層中採集到了可燃冰的樣品;1968年開始,美國挑戰者號海洋鑽探船發現了某種奇怪的地震反射波,懷疑海底地層中有冰層帶或者可燃冰的存在;1979年,挑戰者號從這種反射層中鑽取到了可燃冰,由此確定具有這種反射波的海域地下,就可能存在可燃冰。

從此,世界上可燃冰的勘探開採研究如火如荼起來。中國在可燃冰勘探研究上起步較晚,1999~2001年,地質科技人員才首次在南海西沙海槽發現存在可燃冰的地震異常信息,2002年國務院批准設立了海域可燃冰資源調查專項。

由此,拉開了中國可燃冰調查勘探的序幕,以後發展非常迅速,現在走到了世界前列。 2017年5月,中國在南海北部神狐海域首次試採可燃冰取得成功;2020年2月17日,又實現了第二輪試採點火成功。

  • 可燃冰的儲量。

現在人類的主要燃料是石油,能源危機已經日益迫近。據世界上一些能源研究機構統計,全球石油已經探明的總儲量大致在2000億噸左右,除了已經開採使用的,剩下也就1500億噸左右,根據目前的儲量與消耗量計算,世界石油儲量只夠人類再使用40年左右。

在這種日益迫近的能源危機面前,可燃冰勘探成果的不斷湧現,讓瀕臨絕望的人們又抓住了一根稻草。現在世界上已經勘探出可燃冰總儲量約2100萬億m^3,折算成石油約合336萬億噸。這是個什麼概念?我們簡單算一下就知道,這是現有石油儲量的2240倍,如果現在的石油儲量還可以供人類用40年,那麼這些可燃冰儲量就可以供人類用上89600年。

不過網絡上一般認為,現在世界上探明的可燃冰儲量可供人類使用1000年,我實在不知道這些數據是如何得來的。

  • 中國可燃冰儲量。

在這個領域,中國近年來可是戰果頻頻。在南海、東海、青藏高原等地,已經探明相當巨大的可燃冰儲量,相當於原油當量1000億噸以上。這又是一個什麼概念?就是中國的可燃冰不完全統計,就達到了世界燃油總剩餘儲量的約70%。

中國2020年消耗石油7.2億噸,按這個消耗量,中國的可燃冰儲量可以供中國人消耗138年,即便儲量再大些,在1500噸以上,也就可供消耗200來年。

但網絡上有些說法,似乎遠遠不止這些。比如許多帖子認為中國是世界上可燃冰儲量最大的國家,還有的說中國可燃冰總儲量佔據了世界的90%。這些說法我就不知道有什麼數據支撐,是如何得來的。如果按照前面說的,世界上可燃冰總儲量2100萬億m^3,約合原油當量336萬億噸來看,中國約合原油1000億噸的儲量只佔其中的3360分之一,怎麼可能會成為世界第一,又如何占據了世界的90%呢?

當然,我希望是我孤陋寡聞,有些數據不清楚,我國的天然冰儲量真的像一些網友們說的那樣,世界第一。但我搜遍了網絡,也無法找到能夠證明這個說法的依據。如果有這方面可靠數據的朋友,歡迎在評論區予以指正,先行謝過。

  • 可燃冰是怎麼形成的。

形成可燃冰要具備三個基本條件,即溫度、壓力和氣源。

溫度就是要有低溫環境,可燃冰只有在0~10℃的情況下才會生成,超過了20℃就會分解,因此可燃冰一般在海底或永久凍土層才會生成,海底溫度一般保持在2~4℃,凍土層溫度一般都在0℃以下。

壓力就是要有30個海平面大氣壓,在海洋,只要有300米深的海水就能夠形成30個大氣壓,因此較容易保證這個氣壓,現在開採到的可燃冰的海洋幾乎都在1000米以上;在凍土層一般可燃冰會在800~1000m一下生成。

氣源就是那裡要有天然氣來源,如果沒有天然氣,就巧婦難做無米之炊了,即便有適當的溫度和壓力,也無法生成可燃冰。一般海底有機物沉澱,經過碳化和生物轉化,就形成了充足的氣源,在適當的溫度、氣壓和氣源的交織下,可燃冰晶體就會在海底多孔介質的空隙中間生成。

而陸地凍土中的可燃冰一般混合在砂岩或粉砂岩岩床縱波,以甲烷包合物的方式存在。

可燃冰的分子結構有點像有若干水分子組成的籠子,而甲烷就被包裹在籠子的中間。這是因為水分子中氧原子的電負性較大,在高壓下能吸引與之相近水分子中的氫原子形成氫鍵,構成籠狀結構。這種籠狀結晶化合物只有在一定溫度和壓力下才能穩定存在,溫度和壓力兩個條件有一個出了問題,鎖在籠子裡的甲烷氣體就會逸出,所謂可燃冰就會崩解而不復存在。

  • 可燃冰的開採過程的問題。

可能有些人看到網上像冰塊一樣的可燃冰燃燒,會以為開採可燃冰就是把地底的可燃冰塊挖出來,然後裝上火車汽車輪船,運輸到世界各地去。其實這種想法完全錯了,如果這樣開采的話,不要說不能得到這些燃料造福人類,反而會禍害地球生態。

因為如果將這些可燃冰固體開采出來,由於開採過程的溫度升高和壓力的降低,這些可燃冰還沒出水面或到地表,其籠狀結晶都會分解了,還沒有到挖起來裝載到運輸車船上,天然氣就揮發殆盡了。而可燃冰中的甲烷,其溫室效應是二氧化碳20倍。

地下儲存的可燃冰中的甲烷總量,是大氣中甲烷總量的3000倍,如果這些氣體逃逸到地球大氣層,將對地球氣溫和氣候造成不可逆轉的巨大損害,即便洩漏到了海底,也會改變沉積物的工程力學性質,導致因海底軟化造成的大規模滑坡,破壞海底構造以及通訊電纜、海洋鑽井平台等設施。

  • 可燃冰開採方法。

由於要注意防洩漏,因此可燃冰開採就是一個難度較高的技術。簡單地說,人們只能在地底下讓這些可燃冰打破樊籠,天然氣逸出後,不洩漏地把它們抽取出來,密封在管道和或槽罐中,運輸到需要的地方。

現在正在試驗中的主要開採方法有熱激發法、減壓法、置換法等三種,就是通過給地下天然冰加熱或減壓,或通過用其他化學物質置換,讓可燃冰在地底打破晶體籠狀結構,使甲烷逃逸出來,然後把它們從地底用管道輸送到地面。

技術的難點就是如何做到密封,讓逸出的天然氣只能順著管道乖乖地流進到儲罐或輸送管道中,不能洩漏到海底或空氣中。現在世界各國都在研究更安全高效的開採方式,改進和提升開採設施。

中國有關專家表示,現在通過試採,可燃冰作為未來替代能源的前景是廣闊的,但根據目前對可燃冰調查研究和技術儲備現狀,要實現商業化開採大概還要到2030年左右,也就是還需10年準備時間。世界上怎麼樣呢?我想也差不多吧。

這個問題就說到這,碼字很累,如果喜歡就請給個關注和點贊吧。謝謝閱讀,歡迎討論。

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