天然气水合物的研究与开发_1

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1、天然气水合物的研究与开发【摘要】人类的生存发展离不开能源。当人类学会使用第一个火种时便开始了能源应用的漫长历史。几千年来，人类所使用的能源已经历了三代，正在向第四代能源时代迈进。主体能源的更替充分反映出人类社会和经济的进步与发展。第一代能源为生物质材，以薪柴为代表；第二代能源以煤为代表；第三代能源则是石油、天然气和部分核裂变能源。实际上，第二代和第三代能源是以化石燃料为主体，第四代能源的构成将可能是核聚变能、氢能和天然气水合物。一、天然气水合物是人类未来能源的希望　　人类的生存发展离不开能源。当人类学会使用第

2、一个火种时便开始了能源应用的漫长历史。几千年来，人类所使用的能源已经历了三代，正在向第四代能源时代迈进。主体能源的更替充分反映出人类社会和经济的进步与发展。第一代能源为生物质材，以薪柴为代表；第二代能源以煤为代表；第三代能源则是石油、天然气和部分核裂变能源。实际上，第二代和第三代能源是以化石燃料为主体，第四代能源的构成将可能是核聚变能、氢能和天然气水合物。核聚变能主要寄希望于3He，它的资源量虽然在地球上有限，但在月球的月壤中却极为丰富。氢能是清洁、高效的理想能源，燃烧耐仅产生水，并可再生，氢能主要的载体是水

3、，水体占据着地球表面的2/3以上，蕴藏量大。天然气水合物的主要成分是甲烷和水，甲烷气燃烧十分干净，为清洁的绿色能源，其资源量特别巨大，开发技术较为现实，有可能成为21世纪的主体能源，是人类第四代能撅的最佳候选。天然气水合物是一种白色固体结晶物质，外形像冰，有极强的燃烧力，可作为上等能源，俗称为"可燃冰"。天然气水合物由水分子和燃气分子构戚，外层是水分子格架，核心是燃气分子。燃气分子可以是低烃分子、二氧化碳或硫化氢，但绝大多数是低烃类的甲烷分子，所以天然气水合物往往称之为甲烷水合物。据理论计算，1ｍ3的天然气水

4、合物可释放出164ｍ3的甲烷气和ｍ3的水。这种固体水合物只能存在于一定的温度和压力条件下，一般它要求温度低于0~10℃，压力高于10MPa，一旦温度升高或压力降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解。天然气水合物往往分布于深水的海底沉积物中或寒冷的永冻±中。埋藏在海底沉积物中的天然气水合物要求该处海底的水深大于300-500ｍ，依赖巨厚水层的压力来维持其固体状态。但它只可存在于海底之下500ｍ或1000ｍ的范围以内，再往深处则由于地热升温其固体状态易遭破坏。储藏在寒冷永冻土中的天然气水合物大多分布在四季冰封

5、的极圈范围以内。　　煤、石油以及与石油有关的天然气等含碳能源是地质时代生物遗体演变而成的，因此被称为化石燃料。从含碳量估算，全球天然气水合物中的含碳总量大约是地球上全部化石燃料的两倍。因此，据最保守的统计，全世界海底天然气水合物中贮存的甲烷总量约为×108亿ｍ3，约合11万亿t。数冀如此巨大的矿物能源是人类未来动力的希望。二、天然气冰合物的研究现状1.分布与环境效应世界上绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，储存在深水的海底沉积物中，只有极其少数的天然气水合物是分布在常年冰冻的陆地上。世界海洋里天然气水合物的资

6、源量是陆地上的100倍以上。到目前为止，世界上已发现的海底天然气水合物主要分布区有大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东岸外的布莱克海台等，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、日本海、四国海槽、日本南海海槽、冲绳海槽、南中国海、苏拉威西海和新西兰北部海域等，东太平洋海域的中美海槽、加州滨外、秘鲁海槽等，印度洋的阿曼海湾，南极的罗斯海和威德尔海，北极的巴伦支海和波弗特海，以及大陆内的黑海与里海等。陆上寒冷永冻土中的天然气水合物主要分布在西伯利亚、阿拉斯加和加拿大的北极圈内。我

7、国最有希望的天然气水合物储存区可能是南海和东海的深水海底。天然气水合物固然给人类带来了新的能源希望，但它也可对全球气侯和生态环境甚至人类的生存环境造成严重的威胁。近年来，人们不断讨论地球大气层的温室效应，认为其造成的异常气候和海面上升可能正威胁着人类的生存。主导大气温室效应的因子，普遍认为是水气和二氧化碳气。水气是大自然循环中的活跃分子，难以凋控，于是二氧化碳便成为人们严重关注的对象。许多国际会议讨论二氧化碳的温室效应，并决定限制各国二氧化碳废气的排放量。要知遣，当前大气中的二氧化碳气以每年％的速率在增加，而

8、大气中的甲烷气却以每年％的逮率在更为迅速地增加着。更为重要的是，甲烷气的温室效应为二氧化碳气温室效应的20倍。全球海底天然气水合物中的甲烷总量约为地球大气中甲烷量的3000倍，这么巨大量的甲烷气如果释放，将对全球环境产生巨大的影响，严重地影响全球的气候与海平面。另外，固结在海底沉积物中的水合物，一旦条件发生变化，释出甲烷气，将会明显改变海底沉积物的物理性质。其后果是降低海底沉积物的工程力学特性，引发