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可燃冰研究与开发综述

发布日期:2014-12-26  来源:中国石油网 浏览次数:266
核心提示:

一、前言

温室效应对人类生存和社会可持续发展已产生重大不利影响,联合国政府间气候变化专门委员会指出,必须在 2050 年以前将温室气体排放减少 60%,才能将气候稳定下来,从而避免出现灾难性后果。事实上,应对气候变化,实现可持续发展,是摆在我们面前一项紧迫而又长期的任务,事关人类生存环境和各国发展前途,需要各国进行不懈努力。

而温室效应的应对成功关键在于二氧化碳减排。二氧化碳减排可分为两大类:即上游减排和下游减排。上游减排包括:1)调整经济结构、能源结构、产品结构。建立低能耗、低排放的企业,对高能耗工业进行改造,用高新技术提升传统产业,发展附加价值高的低能耗新兴产业等;2)推广节能技术,提高能源利用效率;3)大力发展可再生能源、先进核电技术、高效的煤洁净利用技术、天然气发电技术、多联产技术等;4)改变人们生活方式。下游减排是指将不得已排放的二氧化碳分离回收、封存和再利用。

从中国所做的承诺看,中国要实现争取到 2020 年单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005 年有显著下降这个目标,是采取了通过发展低耗能、利用可再生能源、低碳能源、森林封存等减排技术相结合,整合二氧化碳上、下游减排,走出一条有中国特色的有效率、成本较低的科学治理之道路。

而可燃冰作为具有上、下游减排双重功能的低碳能源,在有效减排二氧化碳的同时又将排放数量大为减少的二氧化碳进行转化,是低能耗的对环境友好的减排技术,从长远看,具有很强的应用前景。

二、可燃冰的特点、分布、储量

早在 1778 年英国著名化学家、氧气的发现者普利斯特里,就着手研究气体生成的气体水合物温度和压强,但未能制出实验条件下的可燃冰。1934年,美国科学家在油气管道中发现了冰状固体堵塞现象,这是可燃冰首次进入人类视野。

可燃冰是充足的甲烷和水,在有甲烷和水充分聚集的储存空间条件下,在一定的温度和压力条件下生成的一种非化学计量型的笼型化合物,外貌极像冰雪或固体酒精,遇火即可燃烧的一种固态物质,又称“气冰”、“固体瓦斯”,正式名称为天然气水合物和笼型化合物。可燃冰中甲烷来源于微生物分解海底沉积物中有机碳形成甲烷,或地球深部(海底或地表下数千米)热解出甲烷。可燃冰呈黄色、橙色、红色、灰色和蓝色。

可燃冰是由多个水分子通过氢键作用形成不同结构的笼状体,而气体分子之间则通过分子间相互作用填充在笼中,可用 M•nH2O 表示。已发现有3种结构,CH4•5.75H2O 最为普遍的结构。按此计算1立方米“可燃冰”可分解出164立方米的甲烷和0.8立方米的水。说明可燃冰具有很高能量密度,是煤层、黑色页岩的10倍,是天然气能量密度的2至5倍。

可燃冰在世界范围内广泛存在,大约 22%的陆地和 90%的大洋海底是形成它的潜在地区,主要分布在极地高原的永久冻土带及水深超过 300m 以下的海底。目前研究结果表明,天然气水合物分布广泛,资源量巨大,是煤炭、石油、天然气全球资源总量的两倍,初步估算它的碳资源总量是全球所有化石燃料中碳含量的两倍,其矿藏量估计为1.5×10 的16次方至2.0×10的16 次方/立方米。

事实上,据我国专家分析研究, 青藏高原、东北冻土区和东海、南海、黄海的大陆坡及其深海,都可能存在体积巨大的可燃冰。比如,我国是世界上第三冻土大国,冻土区总面积达215万平方公里,具备良好的天然气水合物赋存条件和资源前景,羌塘盆地是最有前景的找矿远景区,其次是祁连山木里地区、东北漠河盆地和风火山—乌丽地区等。据专家估计,我国冻土带的可燃冰储量更大大超过南海等海域。

据预测,我国可燃冰资源量将超过 2000 亿吨油当量。其中,南海海域约650亿吨,位于青藏和黑龙江的冻土带则有 1400 多亿吨。

三、国内外可燃冰研发现状

对可燃冰的研究探索始于1810年,英国科学家戴维在实验室中把氯气通入水中,在零摄氏度以上出现了“冰块”,首次认识到气水合物这种物。

由于“可燃冰”中气体99%为CH4,具有使用方便、燃烧值高、清洁无污染等特点,是公认的地球上尚未开发的最大新型能源,被誉为21世纪最有希望的战略资源,为世界各国争相研究的重要对象迄今,世界上至少有30多个国家和地区进行可燃冰的研究与调查勘探。

目前,美国、俄罗斯、荷兰、加拿大、日本等国探测可燃冰的目标和范围已覆盖世界几乎所有大洋陆缘的重要潜在远景地区以及高纬度极地永冻土地带和南极大陆陆缘区,同时,俄、美、加等国通过地震勘探工作,已查明在北极地区有大量正在形成的天然气水合物。

美国、日本、印度等国近年来纷纷制订天然气水合物研究开发战略和国家研究开发项目计划。美国于1981年投入800万美元制订了天然气水合物10年研究计划。1998年又把天然气水合物作为国家发展的战略能源列入长远计划,每年投入2000万美元,准备在2015年试开采;日本经济产业省已从2000年开始着手开发海底天然气水合物,开发计划分两段进行,前5年对开采海域的蕴藏量和分布情况进行调查,从第3年开始就打井以备调查用,之后5年进行试验性采掘工作,2010年以后实现商业生产;韩国已成功完成《可燃冰开发10年计划》第一阶段任务,确认韩国周边海域海底可燃冰矿藏,并对储藏量进行初步估计。2012至2014年,对周边海域发现的可燃冰矿藏储量进行最终确认,研发可燃冰商业生产相关技术;印度在1995年制订了5年期《全国气体水合物研究计划》,由国家投资5600万美元对其周边海域的天然气水合物进行前期调查研究。

对于中国而言,1990年中国科学院与莫斯科大学冻土专业学者合作开展室内可燃冰合成试验。我国国土资源部从1999年开始启动可燃冰的勘察研究。2002年,国家批准设立了水合物专项“我国海域天然气水合物资源勘测与评价”。同时也是“863”和“973”计划中被列为能源领域重点研究方向。2008年8月,可燃冰基础研究被列入国家重大基础研究发展计划。2007年5月,中国地质调查局在我国南海北部神狐海域,成功钻取获得了高纯度天然气水合物实物样品,使我国成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。2009年9月 ,国土资源部宣布,我国在青海省祁连山南缘永久冻土带成功钻获天然气水合物实物样品,是首次在我国陆域发现天然气水合物,使我国成为世界上第一次在中低纬度冻土区发现天然气水合物的国家,也是继加拿大1992年在北美麦肯齐三角洲、美国2007 年在阿拉斯加北坡通过国家计划钻探发现天然气水合物之后,在陆域通过钻探获得天然气水合物样品的第三个国家。”由此可见,中国对可燃冰的研究,虽然起步较晚,但进展较快,我国可燃冰的调查与研究已处于国际领先水平。

四、可燃冰开发中的难点

首先是能源消耗问题。虽然可燃冰中存在的天然气能源利用率比石油和煤炭都高,但在目前的技术水平下,将其从埋藏处输送至地表所需的能源消耗量,远高于其自身所含能源量。因为可燃冰光依靠发掘不能实现自喷,特别是埋藏在深海域,所以将其开采运输所需要的工程量巨大,自然也就带来相应的能源消耗。

其次是环境保护问题。可燃冰虽然号称绿色环保型资源,但是它的开采过程却可能面临破坏环境的危险。如果发掘方法不当,就可能导致可燃冰大量气化,扩散至大气中,加速地球的气候变暖。如果目前埋藏的可燃冰气化散发到大气中,地球平均气温将在10年内上升4℃。甚至有人担心,可燃冰的气化,再加上已经不断加速的地球气候变暖,将导致更大范围的可燃冰破裂,也许会将人类拖入灭亡的深渊。另外,对于开采海底可燃冰,需要将大量的采掘机械装载在海底,无疑会对海洋生态环境造成破坏。

再则是成本问题。一方面,可燃冰的分布没有规律相对不稳定,不像油气田,厚度可达上百米、面积达几十公里。另一方面,目前可燃冰开采主要有以下几种方法:热力法、降压法、化学试剂法、CO2 置换法等。不同的开采方法所需费用不同,而海洋中可燃冰的勘测和开采费用比陆地要高许多。据估算,目前可燃冰的开采成本高达200美元/m3,折合成天然气要 1 美元/m3。虽然陆地开采可燃冰成本相对较低,但可开采地区往往是生态脆弱地区(如我国的青藏高原),造成勘探规模形成经济规模有难度,费用很高。

最后是不少技术瓶颈有待解决。可燃冰开采仍是十分困难,目前正进行冻土区“可燃冰”的试开采,海洋洋底开采更加困难。世界各国已投入巨资广泛进行可燃冰成分与结构方面基础性研究工作。天然气采收工艺,勘探、运储技术;可燃冰开采条件下,海底稳定性以及对海洋生态全球气候变化的影响评估等方面仍有许多工作要做。

五、中国可燃冰开发展望

近年来,我国在可燃冰的研究方面取得了不少新进展。如 2006年我国首套有自主知识产权的可燃冰保真取样器研制成功。此外,我国也成功开发了可燃冰开采过程数值模拟源程序,获得了可燃冰分解、动态变化过程的重要实验数据,确定了开采过程中的关键控制因素。 但总体上说,我国关于可燃冰的开发研究目前基本上还处于实验阶段。按照我国有关部门制定的战略规划,2006 年至 2015 或 2020年是调查阶段,2015 或 2020 年至2030 年是实现一定程度的工业开采,2030 年后,中国可燃冰将进入商业生产阶段。

2014年7月29日第八届国际天然气水合物大会在北京开幕,据报道,我国计划于从2015年开始着手开发“可燃冰”,并将于2017年首次试开采可燃冰。如果确实如此,那么标志着目前可燃冰研究与开发正在从结束调查阶段向现一定程度的工业开采阶段过渡。有分析认为,这将有力推动中国“可燃冰”勘探与开发的进程,引发中国能源开发利用的“革命”。

 
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