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天然气水合物的研究与开发

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【】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(10~15t)，但在月球的月壤中却极为丰富(100-500万t)。

氢能是清洁、高效的理想能源，燃烧耐仅产生水(H2O)，并

可再生，氢能主要的载体是水，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(C4H)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(gashydrate)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，俗称为形像冰，有极强的燃烧力，可作为上等能源，俗称为可燃

冰冰。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(图1)。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(C4H)，

所以天然气水合物往往称之为甲烷水合物

(methanehydrate)。据理论计算，1m3的天然气水合物可释

放出164m3的甲烷气和0.8m3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plusmn;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的

极圈范围以内。煤、石油以及与石油有关的天然气(高烃天

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

1.8times;108亿m3，约合11万亿t(11times;1012t)。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。我国最有希望的天

然气水合物储存