可燃冰到底是不是冰?

时间:2017-07-07 09:50:21
频道:万物之理
来源:科普中国-科普融合创作中心
作者:科普中国出品

   可燃冰为什么“可燃”

  可燃冰,学名天然气水合物,也称气体水合物,是由天然气与水分子在高压(>100 大气压或>10MPa)和低温(0~10℃)条件下合成的一种固态结晶物质。因天然气中80%~90%的成分是甲烷,故也有人叫天然气水合物为甲烷水合物。天然气水合物多呈白色或浅灰色晶体外貌类似冰雪,可以像酒精块一样被点燃,故也有人叫它"可燃冰"。

 

  可燃冰燃烧样态(图片来源网络)

  从化学结构来看,天然气水合物是这样构成的:由水分子搭成像笼子一样的多面体格架,以甲烷为主的气体分子被包含在笼子格架中。不同的温压条件,具有不同的多面体格架。

  天然气水合物化学结构(图片来源网络)

  从物理性质来看,天然气水合物的密度接近并稍低于冰的密度,电介常数和热传导率均低于冰。天然气水合物的声波传播速度明显高于含气沉积物和饱和水沉积物,中子孔隙度低于饱和水沉积物,这些差别是物探方法识别天然气水合物的理论基础。

  可燃冰的特点

  天然气水合物作为未来潜在能源,具有资源量巨大、埋藏浅、能量密度高、洁净等特点,是地球上尚未开发的最大未知能源库。

  资源量巨大——天然气水合物是全球第二大碳储库,仅次于碳酸盐岩,其蕴藏的天然气资源潜力巨大。据保守估算,世界上天然气水合物所含天然气的总资源量约为(1.8~2.1)×1016立方米,其热当量相当于全球已知煤、石油和天然气总热当量的2倍

  埋藏浅——与常规石油和天然气比较,天然气水合物矿藏埋藏较浅,有利于商业开发。在深海,水合物矿藏赋存于海底以下0~1500 米的沉积层中,而且多数赋存于自表层向下厚数百米(500~800 米)的沉积层中。

  能量密度高——在标准状态下,水合物分解后气体体积与水体积之比为164:1,也就是说,一个单位体积的水合物分解至少可释放160个单位体积的甲烷气体。这样的能量密度是常规天然气的2~5倍,是煤的10倍。

 

  洁净——天然气水合物分解释放后的天然气主要是甲烷,它比常规天然气含有更少的杂质,燃烧后几乎不产生环境污染物质,因而是未来理想的洁净能源。

  可燃冰的特殊地理分布

  天然气水合物的形成必须有充足的天然气来源,必须有低温或高压条件,这决定了它的特殊分布。从目前来看,天然气水合物主要分布在地球上两类地区:一类地区是水深为300m~4000m的海洋,在这里,天然气水合物基本是在高压条件下形成的,主要分布于海底以下0~1500m的松散沉积层中;另一类地区是高纬度大陆地区永冻土带及水深100~250m以下极地陆架,在这里,天然气水合物主要是在低海面时期低温条件下形成。

  水合物所赋存的沉积物多是新生代沉积。在沉积层中,水合物要么是以分散状胶结尚未固结的泥质沉积物颗粒,要么是以结核状、团块状和薄层状的集合体形式赋存于沉积物中,还可能以细脉状、网脉状充填于沉积物的裂隙之中。

  根据研究,生成天然气水合物的气体主要来自于沉积物中微生物对有机质的分解,个别地区也有部分气体来自于深部沉积层中有机质的热分解。这些气体在海底沉积物的孔隙空间中形成水合物。

  从全球来看,海洋天然气水合物占绝对优势。海洋天然气水合物分布于世界各大洋边缘海域的大陆坡、陆隆(深水海台)和盆地,以及一些内陆海。

  全球天然气水合物分布图(图片来源网络)

  已有发现说明,海洋天然气水合物主要分布在北半球,且以太平洋边缘海域最多,其次是大西洋。陆坡、陆隆区是形成天然气水合物的最佳地区,这里沉积物较容易发育,有机质丰富,以甲烷为主的气体来源充足,有利于天然气水合物生成。

  可燃冰的开发利用

  天然气水合物研究是当代地球科学和能源工业发展的一大热点。该研究涉及到新一代能源的探查开发、全球碳循环和气候变化、古海洋、天然气运输、油气管道堵塞、船艇能源更新和军事防御等领域,并有可能对地质学、环境科学和能源工业的发展产生深刻的影响。

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可燃冰到底是不是冰?

   可燃冰为什么“可燃”

  可燃冰,学名天然气水合物,也称气体水合物,是由天然气与水分子在高压(>100 大气压或>10MPa)和低温(0~10℃)条件下合成的一种固态结晶物质。因天然气中80%~90%的成分是甲烷,故也有人叫天然气水合物为甲烷水合物。天然气水合物多呈白色或浅灰色晶体外貌类似冰雪,可以像酒精块一样被点燃,故也有人叫它"可燃冰"。

 

  可燃冰燃烧样态(图片来源网络)

  从化学结构来看,天然气水合物是这样构成的:由水分子搭成像笼子一样的多面体格架,以甲烷为主的气体分子被包含在笼子格架中。不同的温压条件,具有不同的多面体格架。

  天然气水合物化学结构(图片来源网络)

  从物理性质来看,天然气水合物的密度接近并稍低于冰的密度,电介常数和热传导率均低于冰。天然气水合物的声波传播速度明显高于含气沉积物和饱和水沉积物,中子孔隙度低于饱和水沉积物,这些差别是物探方法识别天然气水合物的理论基础。

  可燃冰的特点

  天然气水合物作为未来潜在能源,具有资源量巨大、埋藏浅、能量密度高、洁净等特点,是地球上尚未开发的最大未知能源库。

  资源量巨大——天然气水合物是全球第二大碳储库,仅次于碳酸盐岩,其蕴藏的天然气资源潜力巨大。据保守估算,世界上天然气水合物所含天然气的总资源量约为(1.8~2.1)×1016立方米,其热当量相当于全球已知煤、石油和天然气总热当量的2倍

  埋藏浅——与常规石油和天然气比较,天然气水合物矿藏埋藏较浅,有利于商业开发。在深海,水合物矿藏赋存于海底以下0~1500 米的沉积层中,而且多数赋存于自表层向下厚数百米(500~800 米)的沉积层中。

  能量密度高——在标准状态下,水合物分解后气体体积与水体积之比为164:1,也就是说,一个单位体积的水合物分解至少可释放160个单位体积的甲烷气体。这样的能量密度是常规天然气的2~5倍,是煤的10倍。

 

  洁净——天然气水合物分解释放后的天然气主要是甲烷,它比常规天然气含有更少的杂质,燃烧后几乎不产生环境污染物质,因而是未来理想的洁净能源。

  可燃冰的特殊地理分布

  天然气水合物的形成必须有充足的天然气来源,必须有低温或高压条件,这决定了它的特殊分布。从目前来看,天然气水合物主要分布在地球上两类地区:一类地区是水深为300m~4000m的海洋,在这里,天然气水合物基本是在高压条件下形成的,主要分布于海底以下0~1500m的松散沉积层中;另一类地区是高纬度大陆地区永冻土带及水深100~250m以下极地陆架,在这里,天然气水合物主要是在低海面时期低温条件下形成。

  水合物所赋存的沉积物多是新生代沉积。在沉积层中,水合物要么是以分散状胶结尚未固结的泥质沉积物颗粒,要么是以结核状、团块状和薄层状的集合体形式赋存于沉积物中,还可能以细脉状、网脉状充填于沉积物的裂隙之中。

  根据研究,生成天然气水合物的气体主要来自于沉积物中微生物对有机质的分解,个别地区也有部分气体来自于深部沉积层中有机质的热分解。这些气体在海底沉积物的孔隙空间中形成水合物。

  从全球来看,海洋天然气水合物占绝对优势。海洋天然气水合物分布于世界各大洋边缘海域的大陆坡、陆隆(深水海台)和盆地,以及一些内陆海。

  全球天然气水合物分布图(图片来源网络)

  已有发现说明,海洋天然气水合物主要分布在北半球,且以太平洋边缘海域最多,其次是大西洋。陆坡、陆隆区是形成天然气水合物的最佳地区,这里沉积物较容易发育,有机质丰富,以甲烷为主的气体来源充足,有利于天然气水合物生成。

  可燃冰的开发利用

  天然气水合物研究是当代地球科学和能源工业发展的一大热点。该研究涉及到新一代能源的探查开发、全球碳循环和气候变化、古海洋、天然气运输、油气管道堵塞、船艇能源更新和军事防御等领域,并有可能对地质学、环境科学和能源工业的发展产生深刻的影响。

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