似冰非冰的可燃冰
可燃冰其实是一种俗称,它的学名是天然气水合物,虽然它是近几年才走入普通人视野的,不过它的发现其实很早。19世纪初的时候,英国著名化学家戴维就依靠气体和水合成了一种新物质,当时称为气体水合物,神奇的是这种气体和液体融合的产物居然是固体,看起来像冰。这东西的物理和化学性质都很不稳定,就算在常温常压下,都很容易被还原成气体和水,当时人们觉得这东西虽然神奇,但没什么用处。这种“无用”的东西其实和我们今天要讲的可燃冰是一脉相承的。
那么,生成这种东西的原理是什么呢?在高压低温的条件下,气体分子如果胆敢和水分子混杂在一起,多个水分子就会依靠氢键组合在一起,变成一个“小笼子”,将气体分子关在“笼子”里,无数个“小笼子”集合在一起,就成了晶体,看上去有点像冰。那么这种冰为什么可燃呢?其实就要看笼子里的是什么气体了,如果是甲烷之类能燃烧的气体,这种“冰”当然也就能燃烧。
可燃冰是固体,分子密度是远比气体大的,在有限的体积内,可燃冰蕴藏的甲烷要比普通的天然气多得多,所以这东西其实是个宝贝。
不过,可燃冰在被发现后,很长时间内都没能引起重视,因为人们认为这东西只能人工合成,在自然界是不会天然存在的,因此也就没有实际应用价值。
1965年,在西西伯利亚的麦索亚哈永久冻土带,人们发现了自然生成的可燃冰,而且是可以堪称矿藏的规模。这样一来,可燃冰的身价马上就非同凡响了,因为它只要稍一加热,马上就是汹涌而来的天然气!可燃冰从此开始成功吸引全世界的眼球。
可燃冰的结构和成分非常复杂,但绝大多数都是甲烷,所以非常容易被点燃,可燃冰近似天然气压缩包,1立方米的可燃冰分解后可以释放出164立方米的甲烷和0.8立方米的水。燃烧后只会产生二氧化碳和水,所以被誉为21世纪最理想的清洁能源。可燃冰的燃烧时间远长于同体积的固体酒精。
要生成可燃冰,条件是有大量天然气存在的低温、高压环境,所以人们开始在符合这些条件的地区勘探,希望能找到大的可燃冰矿。后来,苏联和美国先后在北极圈附近的永久冻土地带发现了可燃冰矿。同时,人们觉得海洋里也有更多的低温高压区域,那么海里也有可能存在大量可燃冰,于是,人们开始在海洋里进行勘探。随后,美、苏两国也先后在海洋里发现了大量可燃冰。接着,日本、德国、加拿大等很多国家都陆续发现了可燃冰。中国也在青藏高原和南海发现了大量可燃冰。
可燃冰越找越多,但开采可燃冰目前是世界难题。石油和天然气固然难采,但它们是液体、气体,容易流动,开采相对容易。可燃冰却是固体,你得先让它变成气体,还要保证分解可控,气体不泄漏。可燃冰很容易分解,但控制其分解的规模和速度却很难,其中包含的大量甲烷又是能导致超强温室效应的气体,如果大量泄漏,会对环境有害,怎样安全地开采可燃冰(尤其是海底的可燃冰),同时降低开采成本,在这两点上,各国都很为难。
2017年5月4日,日本宣布实现了世界第一次海底可燃冰技术开采,并获得了成功,但日本的这次开采更多的是实验性质,而且开采量很小,开采持续的时间也很短,不具备实际应用价值。
过了不到半个月,5月18日,中国也宣布在南海北部海域试采可燃冰成功,并且是世界首次实现泥质粉砂型天然气水合物安全可控开采,持续8天,平均日产天然气1.6万立方米,达到国际“7天、1万立方米”的试采成功标准,并做到了开采活动安全而持久。中国的可燃冰开采技术已经做到了世界领先。(www.xing528.com)
开采神器—“蓝鲸1号”
中国海域内的可燃冰分布广、类型多、资源量大,可用于工业、化工和发电等领域,是我们国家在未来非常重要的资源。海底可燃冰的分布范围要比陆地大很多,据专家估算,可燃冰分布的陆海比例为1∶100,谁先开发出海底可燃冰的开采技术,谁就占得了先机。为此,我们国家研制了“蓝鲸1号”半潜式钻井平台。
“蓝鲸1号”平台是当今全球作业水深、钻井深度最大的半潜式钻井平台,平台长117米、宽92.7米、高118米,最大作业水深3658米,最大钻井深度15240米,还配置了高效的全球领先的闭环动力系统,可提升30%作业效率,节省10%的燃料消耗。
“蓝鲸1号”重达4.2万吨,拥有27354台设备,4万多根管路,5万多个MCC报验点,电缆拉放长度120万米。甲板面积相当于一个标准的足球场,从船底到顶端有37层楼那么高。如此复杂的庞然大物还能够在海上高速航行,可以钻到深海开采能源,实在是让人叹为观止。
“蓝鲸1号”不但身躯庞大,足以探索深海海底,本身也极为坚固,2017年夏天,在南海试采可燃冰期间,它遇到了极为猛烈的海上风暴,最大风力达12级。但面对如此强劲的风暴,“蓝鲸1号”任凭风吹雨打,岿然不动,顺利完成了任务。
有了“蓝鲸1号”的成功,各方面性能都更加先进的“蓝鲸2号”也已经于2018年9月27日首航。相信在今后,它们会给我们带来更多的惊喜。
海陆并进的可燃冰开采
和海底相比,陆地上的可燃冰虽然相对较少,而且都是在海拔很高、极度寒冷的地带,但也是不能放弃的重要资源,陆地上的可燃冰虽然没有深海的阻隔,但极度寒冷的环境、高原缺氧的困境都严重阻碍了人们进取的步伐。
之前,可燃冰的陆地钻探取样技术都是被西方国家垄断的,经过十几年的钻研,吉林大学科研团队研发出陆域可燃冰冷钻热采关键技术,打破了国外垄断,技术总体达到了国际先进水平。这些技术解决了高海拔和严寒地区施工等多项技术难题,成功研发了国内外首创的具有自主知识产权的可燃冰冷钻热采关键技术。
相信在未来,我们国家的可燃冰研究和开采能够海陆并进、不断进步,早日实现可燃冰的大规模实际应用。
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