認識水合物

------2003年9月11日播出

央視國際 2003年09月04日 10:24

　　命題研究：北京石油大學張淩偉

　　背景介紹1：什麼是水合物？

　　水合物是由小分子氣體（N2、H2S、CO2、CH4、C2H6）等氣體和水在一定的溫度、壓力條件下生成的一種籠形化合物。在氣體水合物中，水分子（主體分子）之間通過氫鍵作用形成一定尺寸大小空穴的晶體主體， 較小的氣體分子（客體分子）則被包容在空穴之中，從而形成外觀似雪花狀或者鬆散的冰狀的固體化合物。就物理性質而言，水合物像冰，但是它既可以存在於零下溫度環境，又可以存在於零上溫度環境，在溫度和壓力條件尚未達到氣體液化的條件下，水合物就可以生成。

　　背景介紹2：水合物作為能源的儲量狀況和發展優勢？

　　天然氣水合物是水和天然氣在高壓和低溫條件下混合時産生的一種固態物質，外貌極像冰雪或固體酒精，點火即可燃燒，有“可燃冰”、“氣冰”、“固體瓦斯”之稱。天然氣水合物以其超過全世界已知可燃礦物資源煤炭、石油、天然氣碳總量兩倍的巨大儲量和廣泛的地域分佈（90％的海域和27％的陸地——主要是多年凍土區，都具備天然氣水合物儲存的溫度和壓力條件）而轟動世界，被譽為“21世紀新能源”， 現已在大西洋、太平洋和印度洋的陸地和陸隆區，巴倫支海、白令海等海域等全球79個地區被發現。在我國，包括東海、台灣以東海區和南海在內的廣大海域、青藏高原的凍土層，也都具備天然氣水合物的形成條件。經專家多年探測研究，證實中國台灣西南的7.7萬平方公里海域蘊藏著豐富的天然氣水合物。中國海洋地質調查部門已在西沙海漕區發現多處天然氣水合物資源。據測算，南海天然氣水合物的資源量為700億噸油當量，大約相當於中國目前陸上石油、天然氣資源量總數的二分之一。

　　天文學家和行星科學家也已經認識到，在巨大的外層天體（土星和天王星）及其衛星中，天然氣水合物是重要的化合物，這種化合物也很可能存在於包括哈雷慧星在內的慧星的頭部。前蘇聯科學院的Makogan研究組估計，水合物作為一種能源僅在海洋環境中的水合物中就含有5．61018m3天然氣。就我國而言，目前支撐中國經濟發展的四大能源分別是煤炭、石油、天然氣和核能，這四大能源中以天然氣探明和綜合利用程度最低，改變目前煤炭佔我國能源結構75％的狀況已迫在眉睫，否則由此引入的環境污染問題將日趨嚴重。

　　當今，在國際範圍內，以石油和天然氣為主的自然能源仍舊佔據了能源利用的相當大的比例，而它們都是不可再生能源，況且因為燃燒而造成的環境污染以及隨著逐年開採而引發的能源危機已經為人類敲響了警鐘。各類新型能源（比如太陽能、風能等）的開發雖然一定限度改變了這種狀況，但是由於這些能源的開發和利用尚存在這樣那樣的困難以及其本身的缺點，所以要完全替代自然能源而佔據主導地位還要很長的時間。在這樣的現實背景下，水合物作為新的能源以及其巨大的儲量自然成為人們關注的焦點。

　　天然氣水合物能量密度高，每立方米水合物可以釋放出164立方米甲烷氣體，燃燒可以釋放出巨大的能量，雜質少，燃燒受釋放出來的主要是CO2，所以它是一種清潔、少污染的高效能源，稱其為21世紀新型潔凈高效能源已是不爭的事實。

　　太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環境無任何污染。但也因為它能量密度低和強度受各種因素（季節、地點、氣候等）的影響較大這兩大缺點而大大限制了太陽能的有效利用。風能與其它能源相比，具有蘊量巨大、可以再生、分佈廣泛、沒有污染的優點，但是在各種能源中，風能的含能量是極低的，給其利用帶來一定的困難。而且由於氣流瞬息萬變，因此風的脈動以及隨時間和地區差異的變化都十分明顯，波動很大，極不穩定，給其應用帶來了困難。生物能具備下列優點：提供低硫燃料； 提供廉價能源（於某些條件下）；減少環境公害（例如，垃圾燃料）；與其他非傳統性能源相比較，技術上的難題較少。但是它只適合小規模利用，且有機物量有限，能量偏低。而氫作為能源利用也應為缺乏廉價的制氫技術和安全可靠的貯氫和輸氫方法而制約了它的廣泛應用。

　　背景介紹3：天然氣水合物的研究歷史以及其利用前景

　　水合物的發現距今已有近200年的歷史，但是自從1934年Hammerschmidt（1934）發現水合物堵塞天然氣輸送管線和加工設備後，水合物才開始受到世界各國科學家的關注和研究。19世紀60年代中期，前蘇聯首先在地層中發現了天然氣水合物。俄羅斯西西伯利亞北部的麥索雅哈氣田（現已關閉）發現于1968年，從70年代到80年代初，從水合物中持續開採出天然氣， 是天然氣水合物氣藏開發的一個典型的實例。另外，1968年開始的以美國為首的深海鑽探計劃（DSDP）和後來的大洋鑽探計劃（ODP）以及深水海底取樣技術的提高，加快了對氣水合物的研究。1998年4月，我國與美國國家科學基金會簽署諒解備忘錄，正式以六分之一成員國身份加入大洋鑽探計劃。

　　水合物除了其巨大的儲能能力而作為一種潛在的新型能源之外，在工業上，水合物分離法作為一種新穎的分離技術在化工生産、海水淡化和生物工程等領域中也具有誘人的工業應用前景，所以國內外的許多油氣公司、研究機構和大學目前均在積極開展氣體水合物的研究。

　　背景介紹4：天然氣水合物與百慕大三角之迷

　　百慕大三角地區是野生生物繁殖的熱帶洋區。那裏大量的有機物死亡後沉到了洋底。於是出現了這樣一個循環：死有機物—氣—氣體水合物，氣體水合物的數量有多大，難以估計。氣體水合物與海洋沉積物混在一起，形成了一個比水密度小的多孔海綿狀環境。氣體水合物在這樣的環境裏是呆不住的。如果氣體水合物層位於海洋底的最邊緣，就必然産生一種外推力。大塊大塊的氣體水合物離開沉積物，在熱水中上移時迅速地、幾乎是爆炸般地發生分解。形成密度很小的基本上都是氣體的水和氣混合物。而輪船、飛機、軍艦陷入這種環境會沉到洋底，就像一塊石頭掉到水裏一直會沉到底一樣。甲烷雲剎那間可殺死船、機上的一切生命。海面上可形成強大的水動力流，渦流和氣旋。要是直升機和其它飛機飛得不高，就會被從空中吸進水裏，這就像人擺弄紙制玩具一樣輕而易舉。此外，百慕大三角的景象還有：轟鳴聲、爆炸聲和閃光，然後是寂靜和空曠。

　　背景介紹5

　　水合物vs石油

　　水合物：燃燒效率高，儲藏豐富，環保

　　石油：燃燒效率低，儲藏有限，不環保

　　水合物vs煤

　　水合物：環保，清潔，能量轉換損失小

　　煤：容易污染環境，開採危險性較大，能量轉換損失大

　　水合物vs天然氣

　　水合物：易於輸送，降低溫室效應

　　天然氣：不易於輸送，産生大量二氧化碳，加劇溫室效應

　　（2003年9月11日播出）