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理科故事(一)——可以燃烧的“冰”!

发布时间:2019-05-31 23:35 来源:澳门新濠天地

  2011年,我国在南海海域探测到了储量巨大的“可燃冰”资源,储量约194亿立方米。

  去年5月18日,国土资源部部长姜大明在南海神狐海域“蓝鲸一号”钻井平台宣布:我国首次海域可燃冰(天然气水合物)试采成功!我国在南海首次成功完成可燃冰试采工作,实现了连续8天稳定产气,这同时也是世界上对于此种类别的可燃冰第一次试开采成功。

  对此,央视报道称,这种超级能源名叫“可燃冰”,学名则叫“天然气水合物”,就是由天然气和水在高压低温的条件下形成的类冰状的混合物,它是一种高效清洁、储量巨大的新能源。可能是为了让大家更容易理解,央视在报道时打了个比方:就像《变形金刚》中机器人们争夺的“能量块”,其体积虽然小,但蕴含的能量却不可估量。事实上,1立方米“可燃冰”可以分解释放出160立方米以上的天然气。

  我们通常所说的冰,实际上就是水的固体形式。20世纪60年代,在进行深海钻探时,技术人员从海底钻取岩芯,第一次在岩芯中见到一些白色或浅灰色形似冰块的结晶物质。当时,他们完全不知道这些貌似冰块的物质是什么。结果发现,这些冰块在空气中很快就“化”了,还不断冒出气泡,最终在岩芯中成为一摊泥水。令人惊奇的是,这些气泡里的气体竟然能被点燃,于是,这种来自海底的冰状晶体就有了“可燃冰”这个很特殊的名字。可燃冰里也有水,但最主要的成分是甲烷。它的组成方式,就好像甲烷分子被多个水分子“囚禁”住,形成一种笼子形状的结构,其中甲烷的成分占到了80%~99.9%。由于甲烷是天然气的主要成分,所以可燃冰被看作是天然气的固体形式(就像冰是水的固体形式),并且有了一个专业名词——天然气水合物,又叫甲烷水合物。

  根据后来的分析研究,可燃冰里产生的“气泡”就是甲烷。甲烷和水分子组成的水合物需要在0~10℃、至少30个标准大气压的环境中才能以“冰”的形式存在,这就是为什么可燃冰主要分布在深海底部,或者存在于冻土带的地下深层的原因。也正是这个原因,可燃冰一旦在空气中“露面”,顷刻间就会 “冰”雪消融,最终只剩下一摊水。

  其实这种天然气水合物广泛分布在世界各地,而且资源量相当丰富。目前,已有100多个国家相继发现了可燃冰的实物样品,主要来自海洋。

  由于可燃冰中的主要成分就是甲烷,而且含量一点也不比普通天然气中的甲烷含量低,所以可以把可燃冰直接看作固体天然气。全世界可燃冰储量大约是煤、石油、天然气三大能源总量的2倍,可以说是一个巨大的、尚未开发的能源宝库。

  勘测表明,可燃冰是油气田的好邻居。无论是海底可燃冰的聚集区,还是陆地冻土带的可燃冰埋藏地,常常伴随着油气田的分布。有趣的是,天然气田一般分布在可燃冰的上层,一旦天然气被开采之后,随着压力变小,下层的可燃冰——甲烷水合物会开始分解,再次释放出甲烷。油气田因为可以从甲烷水合物持续得到气源补充,它们的开采时限也被大大延长。

  科学家们认为,一旦开采技术获得突破性进展,那么“可燃冰”将会成为21世纪的主要能源。

  可燃冰全称甲烷气水包合物(Methane clathrate),也称作甲烷水合物、甲烷冰、天然气水合物。

  其化学式为CH4·8H2O。它是天然气在0℃和30个大气压的作用下结晶而成的“冰块”,“冰块”里甲烷占80%~99.9%,可直接点燃。

  可用mCH4·nH2O来表示,m代表水合物中的气体分子,n为水合指数(也就是水分子数)。组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。在常温常压下它会分解成水与甲烷,“可燃冰”可以看成是高度压缩的固态天然气。

  外表上看它像冰霜,从微观上看其分子结构就像一个一个由若干水分子组成的笼子,每个笼子里“关”一个气体分子,CH4+2O2=CO2+2H2O它燃烧的产物一般只有二氧化碳和水。



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