新能源(天然氣水合物)

1、天然氣水合物天然氣水合物 未來潔凈的新能源未來潔凈的新能源冰冰可以可以燃燒嗎燃燒嗎 ?偶然的偶然的發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)3030年代，年代，為了為了輸送天然氣，輸送天然氣，鋪設(shè)了輸氣管鋪設(shè)了輸氣管道道一些輸氣管道一些輸氣管道經(jīng)常奇怪的被經(jīng)常奇怪的被冰塊堵塞冰塊堵塞- 可燃冰可燃冰 !對(duì)這些冰塊結(jié)構(gòu)和成份分析后發(fā)現(xiàn)，對(duì)這些冰塊結(jié)構(gòu)和成份分析后發(fā)現(xiàn)，這這是天然是天然氣氣和水的和水的結(jié)合物結(jié)合物，可以，可以燃燒燃燒 !? 1927 1927年在克里米亞大地震期間，黑海海面燃年在克里米亞大地震期間，黑海海面燃起一場(chǎng)熊熊大火。起初人們以為是硫化氫釀成了這起一場(chǎng)熊熊大火。起初人們以為是硫化氫釀成了這場(chǎng)火災(zāi)，后來認(rèn)定，硫

2、化氫在水中的含量太少，不場(chǎng)火災(zāi)，后來認(rèn)定，硫化氫在水中的含量太少，不具備那么強(qiáng)的爆炸力。具備那么強(qiáng)的爆炸力。 引起這場(chǎng)火災(zāi)的，原來是一種叫做水化甲烷的引起這場(chǎng)火災(zāi)的，原來是一種叫做水化甲烷的天然氣水合物天然氣水合物。- 可燃冰可燃冰 !何為何為“天然氣水合物天然氣水合物” ” ？ 天然氣水合物，也稱氣體水合物，是由天然氣與水分天然氣水合物，也稱氣體水合物，是由天然氣與水分子在高壓（子在高壓（100100大氣壓或大氣壓或10MPa10MPa）和低溫（）和低溫（0 01010）條件下合成的一種固態(tài)結(jié)晶物質(zhì)。因天然氣中）條件下合成的一種固態(tài)結(jié)晶物質(zhì)。因天然氣中80%80%90%90%的成分是甲烷，故

3、也有人叫天然氣水合的成分是甲烷，故也有人叫天然氣水合物為甲烷水合物。天然氣水合物多呈白色或淺灰色晶物為甲烷水合物。天然氣水合物多呈白色或淺灰色晶體，外貌類似冰雪，可以象酒精塊一樣被點(diǎn)燃，故也體，外貌類似冰雪，可以象酒精塊一樣被點(diǎn)燃，故也有人叫它有人叫它“可燃冰可燃冰”。化化學(xué)學(xué)成份成份(CH4H2O) 高度壓縮的固態(tài)天然氣高度壓縮的固態(tài)天然氣外表上看它像冰霜外表上看它像冰霜甲烷甲烷占占80 - 99.91 m3水合物0.8 m3水164 m3天然氣形成原因形成原因海洋生物和微生物死海洋生物和微生物死后后，尸尸沉海底沉海底海底水海底水溫較溫較低，低，壓壓力大，力大， 經(jīng)過細(xì)菌分解成經(jīng)過細(xì)菌分解成

4、為甲烷、乙烷等可燃?xì)怏w為甲烷、乙烷等可燃?xì)怏w進(jìn)入海底的沉積巖，與水結(jié)合成可燃冰進(jìn)入海底的沉積巖，與水結(jié)合成可燃冰。形成的基本形成的基本條件條件首先溫度不能太高首先溫度不能太高（海底的溫度是海底的溫度是2 2至至4 4，適合甲烷水合物的形成，高于適合甲烷水合物的形成，高于2020就分解就分解）；第二壓力要足夠大，但不需太大（第二壓力要足夠大，但不需太大（0 0時(shí)，時(shí)，3030個(gè)大氣壓以上就可生成）；個(gè)大氣壓以上就可生成）；第三，地底要有氣源。第三，地底要有氣源。 最有可能形成甲烷水合物的區(qū)域是：最有可能形成甲烷水合物的區(qū)域是：（1 1）高緯度的凍土層）高緯度的凍土層 如美國(guó)的阿拉斯加、俄羅斯的西

5、伯利亞都已有發(fā)如美國(guó)的阿拉斯加、俄羅斯的西伯利亞都已有發(fā)現(xiàn)，而且俄國(guó)已開采近現(xiàn)，而且俄國(guó)已開采近2020年。年。（2 2）海底大陸架斜坡）海底大陸架斜坡 如美國(guó)和日本的近海海域，加勒比海沿岸及我國(guó)如美國(guó)和日本的近海海域，加勒比海沿岸及我國(guó)南海和東海海底均有儲(chǔ)藏，估計(jì)我國(guó)黃海海域和青藏南海和東海海底均有儲(chǔ)藏，估計(jì)我國(guó)黃海海域和青藏高原的凍土帶也有儲(chǔ)藏。高原的凍土帶也有儲(chǔ)藏。 估計(jì)全世界甲烷水合物的儲(chǔ)量達(dá)估計(jì)全世界甲烷水合物的儲(chǔ)量達(dá)1.871.8710101717mm3 3（按甲烷計(jì)），是目前煤、石油和天然氣儲(chǔ)量的二倍，（按甲烷計(jì)），是目前煤、石油和天然氣儲(chǔ)量的二倍，其中，海底的甲烷水合物儲(chǔ)量占其

6、中，海底的甲烷水合物儲(chǔ)量占9999。天然氣水合物未來的替代能源估計(jì)全球儲(chǔ)量：估計(jì)全球儲(chǔ)量：海域：海域：16101610千億噸千億噸( (數(shù)百年數(shù)百年) )；凍土地區(qū)：凍土地區(qū)： 5.35.3千億噸千億噸。我國(guó)天然氣水合物成藏遠(yuǎn)景區(qū)我國(guó)天然氣水合物成藏遠(yuǎn)景區(qū) 根據(jù)前期勘探和歷史勘探資料初步分析，我國(guó)天然氣根據(jù)前期勘探和歷史勘探資料初步分析，我國(guó)天然氣水合物成藏遠(yuǎn)景區(qū)：南海海區(qū)、青藏高原凍土區(qū)、東海部水合物成藏遠(yuǎn)景區(qū)：南海海區(qū)、青藏高原凍土區(qū)、東海部分海域。分海域。據(jù)推測(cè)，我國(guó)南海資源量可達(dá)據(jù)推測(cè)，我國(guó)南海資源量可達(dá)700700億噸。億噸。天然氣水合物開發(fā)的利與弊天然氣水合物開發(fā)的利與弊 驚人驚人

7、容量容量！世界上可燃冰的世界上可燃冰的總資源量相當(dāng)于全總資源量相當(dāng)于全球已知球已知煤、石油和天然煤、石油和天然氣氣的的2倍。倍。可可滿足人類滿足人類 1000 年的需求。年的需求。作作為為燃料的好燃料的好處處藏量大，足夠藏量大，足夠應(yīng)應(yīng)付付將來將來的需要的需要甲烷甲烷占占 80 -99.9可直接可直接點(diǎn)點(diǎn)燃，不燃，不產(chǎn)產(chǎn)生任生任何何殘?jiān)鼩堅(jiān)徊粫?huì)產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生硫磺氧化物生硫磺氧化物- 廿一廿一世紀(jì)世紀(jì)的理想燃料的理想燃料 ? “ “誰掌握天然氣水合物的開采技術(shù)，誰就可以執(zhí)誰掌握天然氣水合物的開采技術(shù)，誰就可以執(zhí)2121世紀(jì)世界能源之牛耳世紀(jì)世界能源之牛耳” ” 天然氣水合物作為天然氣水合物作為212

8、1世紀(jì)的替代能源是世界能源世紀(jì)的替代能源是世界能源發(fā)展的大趨勢(shì)。這不僅具有經(jīng)濟(jì)意義，而且具有政治發(fā)展的大趨勢(shì)。這不僅具有經(jīng)濟(jì)意義，而且具有政治意義。美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所的一名科學(xué)家認(rèn)為，意義。美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所的一名科學(xué)家認(rèn)為，天然氣水合物的開發(fā)利用可能改變世界能源結(jié)構(gòu)和對(duì)天然氣水合物的開發(fā)利用可能改變世界能源結(jié)構(gòu)和對(duì)中東石油的重要性產(chǎn)生極大的影響。中東石油的重要性產(chǎn)生極大的影響。 日本和印度在其領(lǐng)海中發(fā)現(xiàn)大量的天然氣水合物日本和印度在其領(lǐng)海中發(fā)現(xiàn)大量的天然氣水合物的礦藏，具有重大的地緣政治意義。這兩個(gè)國(guó)家已在的礦藏，具有重大的地緣政治意義。這兩個(gè)國(guó)家已在大張旗鼓地研究開發(fā)和利用天然氣水

9、合物。大張旗鼓地研究開發(fā)和利用天然氣水合物。 開發(fā)天然氣水合物并不困難，在西伯利亞氣開發(fā)天然氣水合物并不困難，在西伯利亞氣田中開采甲烷表明，目前的開發(fā)技術(shù)是可行的，田中開采甲烷表明，目前的開發(fā)技術(shù)是可行的，但是從天然氣水合物中開發(fā)大量的甲烷將對(duì)環(huán)境但是從天然氣水合物中開發(fā)大量的甲烷將對(duì)環(huán)境帶來什么樣的影響，已引起很多國(guó)家的政府和科帶來什么樣的影響，已引起很多國(guó)家的政府和科學(xué)家的關(guān)注，關(guān)注的焦點(diǎn)集中在學(xué)家的關(guān)注，關(guān)注的焦點(diǎn)集中在地質(zhì)災(zāi)害地質(zhì)災(zāi)害和對(duì)和對(duì)氣氣候候的影響。的影響。 地質(zhì)災(zāi)害地質(zhì)災(zāi)害 海底滑坡海底滑坡 海底滑坡通常認(rèn)為是由地震、火山噴發(fā)、風(fēng)暴波和海底滑坡通常認(rèn)為是由地震、火山噴發(fā)、風(fēng)暴

10、波和沉積物快速堆積等事件或因坡體過度傾斜而引起的。然沉積物快速堆積等事件或因坡體過度傾斜而引起的。然而，近年來研究者不斷發(fā)現(xiàn)，因海底天然氣水合物分解而，近年來研究者不斷發(fā)現(xiàn)，因海底天然氣水合物分解而導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性降低是海底滑坡產(chǎn)生的另一個(gè)重要原而導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性降低是海底滑坡產(chǎn)生的另一個(gè)重要原因。天然氣水合物以固態(tài)膠結(jié)物形式賦存于巖石孔隙中，因。天然氣水合物以固態(tài)膠結(jié)物形式賦存于巖石孔隙中，天然氣水合物的分解會(huì)使天然氣水合物的分解會(huì)使海底巖石強(qiáng)度降低海底巖石強(qiáng)度降低；另一方面；另一方面因天然氣水合物分解而釋放巖石的孔隙空間，會(huì)使巖石因天然氣水合物分解而釋放巖石的孔隙空間，會(huì)使巖石中孔隙流體（主要

11、是孔隙水）增加和巖石的內(nèi)摩擦力降中孔隙流體（主要是孔隙水）增加和巖石的內(nèi)摩擦力降低，在地震波、風(fēng)暴波或人為擾動(dòng)下低，在地震波、風(fēng)暴波或人為擾動(dòng)下孔隙流體壓力急劇孔隙流體壓力急劇增加增加，巖石強(qiáng)度降低，以至于在海底天然氣水合物穩(wěn)定，巖石強(qiáng)度降低，以至于在海底天然氣水合物穩(wěn)定帶內(nèi)的巖層中形成統(tǒng)一的破裂面而引起海底滑坡或泥石帶內(nèi)的巖層中形成統(tǒng)一的破裂面而引起海底滑坡或泥石流。流。 如果在開采過中向海洋排放大量甲烷氣體將會(huì)如果在開采過中向海洋排放大量甲烷氣體將會(huì)破壞海洋中的生態(tài)平衡。在海水中甲烷氣體常常發(fā)破壞海洋中的生態(tài)平衡。在海水中甲烷氣體常常發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)：生下列化學(xué)反應(yīng)： CHCH4 4 +

12、2O + 2O2 2 = CO = CO2 2 +2H +2H2 2OO CaCO CaCO3 3 + CO + CO2 2 + H + H2 2O = Ca(HCOO = Ca(HCO3 3) )2 2 這些化學(xué)反應(yīng)會(huì)使海水中這些化學(xué)反應(yīng)會(huì)使海水中OO2 2 含量降低，一些含量降低，一些喜氧生物群落會(huì)萎縮，甚至出現(xiàn)物種滅絕；另一方喜氧生物群落會(huì)萎縮，甚至出現(xiàn)物種滅絕；另一方面會(huì)使海水中的面會(huì)使海水中的COCO2 2含量增加，造成生物礁退化，含量增加，造成生物礁退化，海洋生態(tài)平衡遭到破壞。海洋生態(tài)平衡遭到破壞。 海洋生態(tài)環(huán)境的破壞海洋生態(tài)環(huán)境的破壞 地質(zhì)災(zāi)害：地質(zhì)災(zāi)害： （1 1）自二十世紀(jì)）

13、自二十世紀(jì)7070年代起在世界各大洋中發(fā)現(xiàn)數(shù)處由天年代起在世界各大洋中發(fā)現(xiàn)數(shù)處由天然氣水合物分解造成的海底地質(zhì)災(zāi)害（海底滑塌、滑坡和濁然氣水合物分解造成的海底地質(zhì)災(zāi)害（海底滑塌、滑坡和濁流）。目前較為一致的認(rèn)識(shí)是，這些海底地質(zhì)災(zāi)害可能是由流）。目前較為一致的認(rèn)識(shí)是，這些海底地質(zhì)災(zāi)害可能是由海平面升降、地震和海嘯導(dǎo)致的水合物分解而引起的，而水海平面升降、地震和海嘯導(dǎo)致的水合物分解而引起的，而水合物分解產(chǎn)生的滑塌、滑坡和濁流則可能進(jìn)一步引發(fā)新的地合物分解產(chǎn)生的滑塌、滑坡和濁流則可能進(jìn)一步引發(fā)新的地震和海嘯。震和海嘯。 （2 2）水合物分解引起的地質(zhì)災(zāi)害還會(huì)導(dǎo)致海底生態(tài)環(huán)境）水合物分解引起的地質(zhì)災(zāi)害

14、還會(huì)導(dǎo)致海底生態(tài)環(huán)境惡化而殃及海洋生物。惡化而殃及海洋生物。 （3 3）在里海和巴拿馬北部近海還發(fā)現(xiàn)水合物分解產(chǎn)生的）在里海和巴拿馬北部近海還發(fā)現(xiàn)水合物分解產(chǎn)生的海底泥火山。海底泥火山。 （4 4）全球凍土層退化（如我國(guó)的青藏高原凍土層），存）全球凍土層退化（如我國(guó)的青藏高原凍土層），存在天然氣水合物大量釋放的危險(xiǎn)。在天然氣水合物大量釋放的危險(xiǎn)。 （5 5）在高緯度永凍土帶及極地地區(qū)，油井、油氣管道等）在高緯度永凍土帶及極地地區(qū)，油井、油氣管道等生產(chǎn)設(shè)施中水合物的形成會(huì)造成管路堵塞，而產(chǎn)生事故或?yàn)?zāi)生產(chǎn)設(shè)施中水合物的形成會(huì)造成管路堵塞，而產(chǎn)生事故或?yàn)?zāi)害。害。 氣候氣候 CH CH4 4的溫室效應(yīng)

15、比的溫室效應(yīng)比C0C02 2要大要大2121倍。在自然界，壓力倍。在自然界，壓力和溫度的微小變化都會(huì)引起天然氣水合物分解，并向和溫度的微小變化都會(huì)引起天然氣水合物分解，并向大氣中釋放甲烷氣體。大氣中釋放甲烷氣體。 據(jù)測(cè)算，甲烷的全球變暖的潛能在據(jù)測(cè)算，甲烷的全球變暖的潛能在2020年的期間內(nèi)年的期間內(nèi)是二氧化碳的是二氧化碳的5656倍。倍。 在開采天然氣水合物過程中，如果向大氣中排放在開采天然氣水合物過程中，如果向大氣中排放大量甲烷氣體，這必然會(huì)進(jìn)一步加劇全球的溫室效應(yīng)，大量甲烷氣體，這必然會(huì)進(jìn)一步加劇全球的溫室效應(yīng)，極地溫度、海水溫度和地層溫度也將隨之升高，這會(huì)極地溫度、海水溫度和地層溫度也

16、將隨之升高，這會(huì)引起極地永久凍土帶之下或海底的天然氣水合物自動(dòng)引起極地永久凍土帶之下或海底的天然氣水合物自動(dòng)分解，大氣的溫室效應(yīng)會(huì)進(jìn)一步加劇。如加拿大福特分解，大氣的溫室效應(yīng)會(huì)進(jìn)一步加劇。如加拿大福特斯洛普天然氣水合物層正在融化就是一個(gè)例證。斯洛普天然氣水合物層正在融化就是一個(gè)例證。 很多科學(xué)家認(rèn)為，天然氣水合物中的甲烷很多科學(xué)家認(rèn)為，天然氣水合物中的甲烷最終將對(duì)全球氣候產(chǎn)生穩(wěn)定的影響。在冰期開最終將對(duì)全球氣候產(chǎn)生穩(wěn)定的影響。在冰期開始時(shí)，地球變冷，冰蓋擴(kuò)大而引起海平面下降，始時(shí)，地球變冷，冰蓋擴(kuò)大而引起海平面下降，海平面的下降又引起對(duì)海底壓力的下降，這樣海平面的下降又引起對(duì)海底壓力的下降，這

17、樣就引起了天然氣水合物的離散和甲烷釋放，增就引起了天然氣水合物的離散和甲烷釋放，增加大氣的溫室效應(yīng)，從而阻止了全球繼續(xù)變冷。加大氣的溫室效應(yīng)，從而阻止了全球繼續(xù)變冷。這樣，天然氣水合物可能是穩(wěn)定全球溫度的一這樣，天然氣水合物可能是穩(wěn)定全球溫度的一個(gè)重要因子。個(gè)重要因子。 如果大量開發(fā)天然氣水合物，人為破壞這種如果大量開發(fā)天然氣水合物，人為破壞這種自然調(diào)節(jié)的平衡，后果將怎樣呢？自然調(diào)節(jié)的平衡，后果將怎樣呢？ 埋藏淺埋藏淺 在深海，存于海底以下在深海，存于海底以下01500米的沉積層中，且米的沉積層中，且多數(shù)賦存于自表層向下厚數(shù)百米（多數(shù)賦存于自表層向下厚數(shù)百米（500800米）；在加米）；在加拿

18、大西北拿大西北Mackenzie三角洲永凍土帶，存于三角洲永凍土帶，存于810.11102.3米處，含天然氣水合物地層厚米處，含天然氣水合物地層厚111米。米。 規(guī)模大規(guī)模大 一般厚十厘米至數(shù)百米，分布面積數(shù)萬到數(shù)十萬平一般厚十厘米至數(shù)百米，分布面積數(shù)萬到數(shù)十萬平方公里，單個(gè)海域水合物中天然氣的資源量可達(dá)數(shù)萬至方公里，單個(gè)海域水合物中天然氣的資源量可達(dá)數(shù)萬至數(shù)百萬億立方米數(shù)百萬億立方米 。能量密度高能量密度高潔凈潔凈 開采開采方法方法 熱熱解法解法加加熱熱，使其分解出甲烷蒸，使其分解出甲烷蒸氣氣難于難于收集甲烷收集甲烷氣氣降降壓壓法法將將核核廢廢料埋入地底，利用核料埋入地底，利用核輻輻射使其分

19、解射使其分解難難於收集甲烷於收集甲烷氣氣置置換換法法將將液化液化 CO2 注入深海注入深海后后，沉入海底，沉入海底因因 CO2 較較甲烷易甲烷易于于形成水合物形成水合物甲烷水合物中的甲烷分子被排出甲烷水合物中的甲烷分子被排出作作為為燃料的燃料的壞處壞處以以固體形態(tài)埋藏在海底固體形態(tài)埋藏在海底，開采開采成本高成本高(相相對(duì)現(xiàn)時(shí)開采石油對(duì)現(xiàn)時(shí)開采石油、煤等、煤等)甲烷含量相甲烷含量相當(dāng)于空氣當(dāng)于空氣中含量的中含量的3000倍以上倍以上開采開采的技的技術(shù)術(shù)未成熟，甲烷未成熟，甲烷氣氣易流失易流失加劇溫室效應(yīng)加劇溫室效應(yīng)，引致地球溫度上升加速，引致地球溫度上升加速開采時(shí)開采時(shí)可能出現(xiàn)大量的甲烷可能出現(xiàn)

20、大量的甲烷氣體泄漏氣體泄漏導(dǎo)致海嘯及影響船只導(dǎo)致海嘯及影響船只安全等安全等過分開采影響海底沉積物的強(qiáng)度過分開采影響海底沉積物的強(qiáng)度引發(fā)海底出現(xiàn)引發(fā)海底出現(xiàn)“山泥傾瀉山泥傾瀉”引起引起陸地陸地地上的地上的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)能源危能源危機(jī)機(jī)新希望新希望 開采開采方法都不是十分有效方法都不是十分有效天然天然氣氣水合物具有分布水合物具有分布廣廣、規(guī)模大、規(guī)模大、儲(chǔ)儲(chǔ)量大量大及及潔凈潔凈 若能突破若能突破現(xiàn)有開發(fā)技術(shù)現(xiàn)有開發(fā)技術(shù)的的瓶頸瓶頸將將成成為為二十一二十一世紀(jì)世紀(jì)最重要的能源最重要的能源資源資源之一之一 發(fā)現(xiàn)（作為地下資源）發(fā)現(xiàn)（作為地下資源）: : 1 1、19601960年前蘇聯(lián)麥索亞哈氣田；

21、年前蘇聯(lián)麥索亞哈氣田；2 2、美國(guó)阿拉斯加北部?jī)鐾?；、美?guó)阿拉斯加北部?jī)鐾粒? 3、至今世界已發(fā)現(xiàn)、至今世界已發(fā)現(xiàn)6060多處；多處；主要國(guó)家、組織、投入、工作區(qū)主要國(guó)家、組織、投入、工作區(qū): :1 1、ODPODP、DSDPDSDP鄂霍茨克海、墨西哥海、大西洋、太平洋北美沿鄂霍茨克海、墨西哥海、大西洋、太平洋北美沿岸、南海海槽等岸、南海海槽等1414處；處；ODP164次航次鉆探。國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外研究現(xiàn)狀2 2、2020世紀(jì)九十年代，美國(guó)地調(diào)所和能源部世紀(jì)九十年代，美國(guó)地調(diào)所和能源部研究中心研究中心, ,全美海全美海洋水合物研究計(jì)劃（阿拉斯加、北卡羅濱岸）；洋水合物研究計(jì)劃（阿拉斯加、北卡羅濱岸）；3 3、19941994年，俄羅斯年，俄羅斯勘察加半島、千島群島；勘察加半島、千島群島；4 4、19951995年，印度年，印度5 5年計(jì)劃，年計(jì)劃，56005600萬美元；萬美元；5 5、19951995年，日本年，日本發(fā)展促進(jìn)會(huì)發(fā)展促進(jìn)會(huì), ,5 5年勘探專項(xiàng)計(jì)劃，年勘探專項(xiàng)計(jì)劃，1.51.5億美元億美元,1999,1999年日本南海海槽，計(jì)劃年日本南海海槽，計(jì)劃20002000年試開采