【深度好文】可燃冰并非你想象的那么神秘！

  5月18日上午，国土资源部中国地质调查局在南海神狐海域举报天然气水合物试采现场会上宣布：我国南海神狐海域天然气水合物试采实现连续7天19个小时的稳定产气，取得天然气水合物试开采的历史性突破。这也标志着我国成为全世界第一个实现了在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家。可燃冰作为21世纪最具有价值的能源之一，可燃冰的试采成功对我国能源格局的影响重大。

  天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate）是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压和低温度的环境下形成的似冰状结晶态化合物。因其外观像冰，并且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。

  可燃冰的本质是小分子气体（主要是CH4）“住”在由各种规则笼形结构（水分子组成）相套在一起组成的晶胞结构里，小分子是客体，晶胞结构是主体，两者之间通过范德华力联系在一起。

  天然气水合物具有的笼形结构与一般的晶体化合物结构不同，它只是简单的分子物理组合，因此不具有严格的理论化学式，

  其化学式表示为M·nH2O，M 代表烃类气体分子， n 为水分子数。在标况（0 ℃，1 atm）下，1体积 CH4·nH2O 分解可产生 164 体积的 CH4 气体。因此，天然气水合物是一种单位体积内的包含的能量高，绿色环保的潜在资源。

  可燃冰的形成有3个门槛：①温度不能太高，在0℃以上可以生成，0～10℃为宜，最高20℃左右。②压力要够，但不能太大，0℃与30个大气压以上可燃冰即可生成。③地底要有气源。

  根据上述理论，地球上可燃冰矿藏的形成有两条途径:一是气候寒冷致使矿层温度下降，加上地层的高压力，使原来分散在地壳中的碳氢化合物气体和地壳中的水形成气—水结合的矿层。二是由于海洋里大量的生物和微生物死亡后，留下的遗体不断沉积到海底，很快分解成有机气体如甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)等，这样，它们便钻进海底结构疏松的沉积岩微孔，和水形成“气水合物”。

  所以最大有可能形成可燃冰的区域一个是高纬度的冻土层，另一个是海底大陆架斜坡，其中海底可燃冰的储量较大。

  可燃冰的优点吸引了全球大国竞相研究开采手段，根据不完全统计，已有40多个国家和地区开展了可燃冰的调查研究，至今已有美国、加拿大、日本、韩国、中国、印度、德国、新西兰等国设立国家研究计划，开展资源调查、钻探、实验开采技术和环境影响评价研究等系统研究。

  可燃冰由于是天然气水混合物，其化学式一般表示为CH4·nH2O（n的值通常为6-8），其中甲烷是清洁燃料，燃烧后只生成二氧化碳和水，其燃烧化学方程式为：

  从单位体积上来说，1立方米的可燃冰可释放164立方米的甲烷，即每千克可燃冰中含有约0.11kg甲烷。

  已知甲烷的燃烧热为55496.96KJ/Kg，因此每千克可燃冰中的甲烷燃烧能释放6253.18KJ/Kg。

  对比标准煤29306KJ/Kg的热值，发现其实单位质量可燃冰的能量不及单位质量标准煤的三分之一。

  因此对比不难发现，可燃冰并非单位体积内的包含的能量极高的能源品，近期市场上关于可燃冰和天然气对比，一辆使用天然气的汽车，加入一样体积的可燃冰，可跑5万公里（天然气的166倍），存在很明显的误区。因为汽车加入的100升天然气和可燃冰释放的164立方米天然气并不是同等压强下的对比。

  可燃冰相对于其他能源品的主要优点是，其燃烧过后仅产生二氧化碳和水，无残渣和其他污染物。

  天然气水合物在在地球上大约有27%的陆地是能形成天然气水合物的潜在地区，而在世界大洋水域中约有90%的面积也属这样的潜在区域。已发现的天然气水合物主要存在于北极地区的永久冻土区和全球范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中。有评价根据结果得出，仅在海底区域，可燃冰的分布面积就达4000万平方公里，占地球海洋总面积的 1/4。其矿层之厚、规模之大，也是常规天然气田无法相比的。

  全球天然气水合物的储量约为20万亿吨油当量，是常规天然气地质资源量的50倍、煤炭及石油和天然气总含碳量的两倍。蕴藏的天然气资源总量约为21000万亿方，可满足人类1000年的需求。

  加上目前全球蕴藏的常规石油天然气资源消耗巨大，很快就会枯竭，作为在全世界内分布且拥有如此庞大的储量的可燃冰愈发得到各国的重视。

  可燃冰是天然气和水在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，燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气都要小得多。

  以我国能源结构中的支柱煤炭为例，构成煤炭有机质的元素主要有碳、氢、氧、氮和硫等，此外，还有极少量的磷、氟、氯和砷等元素。

  煤炭在燃烧时，氮不产生热量，在高温下转变成氮氧化合物和氨，以游离状态析出。硫、磷、氟、氯和砷等是煤炭中的有害成分，其中以硫最重要。煤炭燃烧时绝大部分的硫被氧化成二氧化硫（SO2），随烟气排放，污染大气，危害动、植物生长及人类健康，腐蚀金属设备；当含硫多的煤用于冶金炼焦时，还影响焦炭和钢铁的质量。

  而我国85%的煤炭是通过直接燃烧使用的，最重要的包含火力发电、工业锅（窑）炉、民 用取暖和家庭炉灶等。高耗低效燃烧煤炭向空气中排放出大量SO2、CO2和烟尘，造成我国以煤烟尘为主的大气污染。

  相较于煤炭燃烧产生的污染气体和烟尘，可燃冰燃烧后只留下二氧化碳和水，对环境保护而言也显示出了其非凡的一面。

  与国外相比，我国的可燃冰开展工作相对滞后。2012年美国能源部与JOGMEC合作，采用CO2置换法在阿拉斯加北部的普拉德霍湾地区的实验井中开采了可燃冰。2013年3月，日本石油天然气和金属公司（ JOGMEC ） 的科学技术人员通过特殊钻探装备从爱知县深海附近的可燃冰冰层中提取出了可燃冰，这是一次比较成功提取天然气的例子，国际上认定日本是世界上第一个实现离岸开采可燃冰的国家。

  1999年，我国广州海洋局派出“奋斗五号”船实施了针对水合物的高分辨多道地震调查，首次在南海发现了一种规则晶体；

  2002年，我国真正开始大规模、多学科、多手段开展天然气水合物资源调查，探明南海资源储量约700亿吨油当量，相当于2015年煤炭基础储量的58%（以热值测算）；

  2004年，天然气水合物研究中心在中科院广州能源所建立。同时，中德科研工作者探测出约430万km2的“九龙甲烷礁”

  2007年，在南海北部神狐海域首次钻获可燃冰，这使得我国成为继美国、日本、印度之后，第四个通过国家级研发计划在海底钻获可燃冰的国家；

  2008 年，利用自主研发的 “海洋六号” 在南海北部成功提取可燃冰实物。同时我国在青海祁连山冻土区的 “可燃冰” 钻探工作也取得进展，证实我国拥有陆域“可燃冰”。

  2009 年，我国在青藏高原五道沟永久冻土区结合青海省祁连山南缘永久冻土带确认有 350 亿吨油当量以上的 “可燃冰” 远景资源。

  2013年 我国广州海洋地质调查局在珠江口盆地实施了第二次天然气水合物钻探。此次钻获了大量高纯度的新类型天然气水合物实物样品

  2016年，我国地质调查工作人员围绕试采在神狐海域开展钻探站位8个，全部发现可燃冰；

  2017年5月18日 我国南海神狐海域天然气水合物试采实现连续超过7天的稳定产气，取得天然气水合物试开采的历史性突破。

  可燃冰作为20世纪60年代发现的新型能源，其显著的优点吸引了全球各国竞相研究开采手段，根据不完全统计，已有40多个国家和地区开展了可燃冰的调查研究，至今已有美国、加拿大、日本、韩国、中国、印度、德国、新西兰等国设立国家研究计划，开展资源调查、钻探、实验开采技术和环境影响评价研究等系统研究。我们大家都认为可燃冰对于我国将有以下两点主要意义：

  我国是一个富煤、贫油、少气的国家，煤炭在中国能源结构中长期处于支柱地位，“十二五”以来每年煤炭消费量超过35亿吨，2013年更是接近43亿吨，在一次能源消费占比中长期保持在60%以上。

  而截至2012年，中国煤炭资源总量为5.82万亿吨，其中，保有煤炭资源量1.94万亿吨，预测资源量3.88亿吨。尚未利用资源量中，精查储量仅为2593.58亿吨，占尚未利用资源总量的16.8%。可采煤炭资源储量为1487.97亿吨，占全国保有煤炭资源总量的7.6%；人均可采储量为114.4吨，仅为美国、俄罗斯、德国等国家的1/6-1/4。2015年，世界能源委员会最新多个方面数据显示，中国煤炭可采年数(储采比)仅为31年，仅为世界储采比114年三分之一左右。

  因此，我国近几年来在能源保障方面，全力发展可再次生产的能源，并与俄罗斯、东南亚等四周的国家建立能源战略合作，而可燃冰的试采为我国的能源安全保障提供了一个新的视角。

  根据2016年发布的《中国能源矿产地质调查报告》的最新数据，我国海域、陆域可燃冰预测远景资源量超1000亿吨油当量，约相当中国陆上石油、天然气资源量总数的二分之一，其中有近740亿吨在南海，开发前景广阔。

  2013年在我国珠江口盆地东部海域发现超千亿方级可燃冰物矿藏，2015年神狐海域再次发现超千亿方级可燃冰，而且矿藏分布广、厚度大、饱和度高，为我国可燃冰试开采提供了重要参考靶区。在这样不容乐观的能源结构背景下，可燃冰开采的技术突破无疑是让我国在能源结构调整的重要时期拥有更多选择。

  近年来，随着环保等要求的提升，我国的能源生产及消费结构得到不断的优化。据相关多个方面数据显示，截至2016年，煤炭的能源消费占比为63%，环比2015年下降一个百分点，而在“十二五”前这个数据一直在70%以上，同时，水电、核电和风电等清洁能源占比从8%提升到了2016年的13%。

  今年2月10日，国家能源局印发《2017年能源工作指导意见》，意见中指出全国能源消费总量控制在44亿吨标准煤左右。非化石能源消费比重提高到14.3%左右，天然气消费比重提高到6.8%左右，煤炭消费比重下降到60%左右。

  就我国能源消费情况去看，煤炭的支柱地位短期无可替代，天然气、水电、核电、风电等新型能源占比虽一直上升，但绝对体量依然较小，加上经济价值及消费成本等方面的影响，想逐步提升难度较高。在此背景下，可燃冰在商业化运作后，无疑可当作优化能源结构的主要部分。

  虽然我国刚刚实现了可燃冰开采的技术突破，但由于可燃冰稳定性较差和开采环境的限制，目前仅仅是让可燃冰的商业化的进程中达到了技术上可行的地步，比如开采成本和潜在的对环境的不利影响等障碍还有待攻克。同时，我们也不得不面对相较于世界可燃冰总储量，我国目前发现的可燃冰矿藏较少的现实情况。

  开发成本过高一直是制约可燃冰开采的一个重要原因，美国能源部的公开资料显示，目前可燃冰开采成本平均高达每立方米200美元，即使按照1立方米可燃冰可转化164立方米的天然气来换算，其成本也在每立方米1美元以上，这远高于通过成熟技术开采常规天然气的成本。

  尽管全球多个国家都将可燃冰视为一种战略能源，但是由于当前全球油气价格相对较低，各国在可燃冰的研发投入上动力不足，

  这将在某些特定的程度上阻碍可燃冰技术研发的进程。本次我国成功开采引发了全球范围的关注，对于促进可燃冰行业的发展具有深远意义。

  一方面是可燃冰稳定性较差，一旦汽化，“封存”它的海底沉积物会失去稳定，不仅对海底管道、通信电缆和开采平台和科学仪器造成破坏，并且还有可能造成大陆架边缘动荡从而引发海底塌方，甚至导致大规模海啸。1单位的体积的可燃冰能分解出164单位体积的甲烷，如果是瞬间融化，和爆炸一样，且由于可燃冰大多位于海底斜坡上，非常容易造成海底滑坡和塌陷。

  另一环境风险为可燃冰在开采过程中可能会造成成分泄露。可燃冰成分复杂，有甲烷，二氧化碳，还有乙烷和丙烷。据测算，全球可燃冰中蕴含的甲烷量约是大气圈中的3000倍，其温室效应为CO2的20倍，而可燃冰分解产生的甲烷进入大气的量即使只有大气甲烷总量的0.5%，也会明显加速全球变暖的进程。

  虽然，近年来我国连续在珠江、神狐海域发现可燃冰矿藏，但不可回避的一个问题就是我国可燃冰储量相较于世界可燃冰储量处于明显较低的水平。前文中提到，以我国海域、陆域可燃冰储量1000亿吨油当量计算，就全球约20万亿吨油当量的可燃冰储备仅占比0.5%。

  而就我国国内资源对比来看，占我国石油、天然气资源量总数的二分之一，而我国本身就是一个贫油、少气以煤炭消费的国家，我们以2015年我国的煤炭消费量约为18亿吨油当量的结果计算，在假设摒除一切干预因素的前提下可燃冰完全替代煤炭在我国能源结构中的位置，其也仅仅只能供我国消费约56年左右。

  在充分考虑我国目前的能源形势的情况下，未来随着可燃冰商业开发愈加成熟，其或将成为中国能源结构中重要的补充。

  总而言之，可燃冰作为能源品具有其特有的优势，但潜在的问题也不容忽视。短期来看，可燃冰的开采还需开采技术上的突破，在其具有一定经济价值的基础上才能商业化运作。（易煤研究院：潘汉翔张飞龙）返回搜狐，查看更加多