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中国“可燃冰”样品首次对外点火展示:燃烧火焰为何是橙色而不是蓝色,你懂么?

2016-04-22 15:07:01
穗科学家演绎“冰”与火之歌,这是国首次将可燃冰实物样品向社会民众开放点火展示。

4月21日上午,广州海洋地质调查局南岗基地。

工作人员从箱子中拿出一块看起来既像石头又像冰的物体放在桌上。这时,物体的表面开始冒“烟”,看上去有点像干冰。

从箱子里拿出来的物体表面开始冒烟。南都记者 马强 摄

这个物体学名天然气水合物,是一种由水分子和气体分子组成的,具有三维笼状分子结构的似冰状结晶化合物。外观多呈白色或浅灰色晶体,外貌类似冰雪,可以像固体酒精一样被点燃,故也被称“可燃冰”。

自然产出的“可燃冰”存在形态各异,主要有块状、脉状、结核状和分散状。

标准状态下,1体积的天然气水合物大概可以分解为164体积的甲烷气体。因此,事实上,“可燃冰”燃烧的是甲烷气体,而不是我们肉眼看到的固体。

工作人员解释说,表面冒烟是表层液氮在挥发。原来,由于实际形成条件是低温高压,在常温常态下,这块“冰”很快就会分解成甲烷气体和水,所以要保存在低温的液氮之中。

工作人员用打火机给“冰”打火。南都记者 马强 摄

几分钟后,工作人员用打火机给“冰”点火。火烧了起来,持续发出橙色的火焰。

火烧了起来,发出橙色的火焰。南都记者 马强 摄

现场燃烧的“冰”,是广州海洋地质调查局最新从海底采获的可燃冰样品。这也是中国首次将可燃冰实物样品向社会民众开放点火展示。

全世界97%可燃冰分布在海底

现场专家解释,在常温常态下“可燃冰”很快就会分解成甲烷气体和水,所以刚从海底拿上来的“可燃冰”,是最容易点燃的。而在液氮里面保存之后,表面就会有氮气,影响其燃烧。

该专家表示,从液氮中拿出来时间过长,又会产生另外一个问题:“可燃冰”会分解形成一部分甲烷和一部分水,燃烧过程中产生的水会增加“可燃冰”的点燃难度。

所以,理论上“可燃冰”直接燃烧产生的火焰是蓝色的,但现场呈现橙色,就是因为其中掺杂了其他物质。

现场的火焰呈橙色。南都记者 马强 摄

广州海洋地质调查局海洋矿产地质调查所副所长梁金强介绍说,形成可燃冰有三个基本条件:温度、压力和充足的气源。海底的低温和高压对于天然气水合物的形成非常有利,因此世界上的天然气水合物约有97%分布于海洋中,仅3%分布在陆地冻土带。据了解,“可燃冰”可以在0℃以上生成,但是超过20℃就会分解。而在0℃时,只需要30个大气压就可以生成“可燃冰”。海底的温度一般在2-4℃,再加上海洋的深度,使得深海存有大量的“可燃冰”。

梁金强透露,“我国将在2017年开展海域天然气水合物开采试验。届时,这种新型的绿色能源将进入千家万户。”

我国将在明年开展海域可燃冰开采实验

由于天然气水合物的资源意义,从20世纪80年代开始,美国、英国、德国、加拿大、日本、印度、韩国等发达国家相继投入巨资并制定了天然气水合物勘查和开发的国家计划来进行本土和国际海底天然气水合物的调查研究和评价工作,取得了一系列重大成果进展。

中国天然水合物勘查则起步相对较晚。1999~2001年,广州海洋地质调查局地质科技人员获得了天然气水合物存在的多信息证据,从而得到了国家高度重视。经过努力,2002年,我国正式批准设立天然气水合物资源勘查专项。

“海马”号深海无人遥控潜水器模型:2014年2月20日至4月22日,我国自主研制的首台4500米级深海遥控无人潜水器作业系统——“海马号”ROV搭乘“海洋六号”综合科学考查船分三个航段在南海进行海上试验,并于4月18日通过了由863海洋技术领域办公室委派的海试现场专家组进行的海上验收。“海马号”研制与海试成功为我国深海资源探查与开发、深海科学研究提供了高技术探查手段。南都记者 马强 摄

2000年以来,广州海洋地质调查局成功实现了“可燃冰”钻探的三次突破:2007年,广州海洋地质调查局首次在南海北部神狐海域实施8个站位钻探,其中有3个站位获得实物样品。这既是首次在我国南海海域获取天然气水合物实物样品,也使得我国成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划在海底钻探天然气水合物实物样品的国家。

2013年6月1日-9月8日,广州海洋地质调查局在珠江口盆地钻获大量块状、脉状、分散状等多类型水合物样品,这是首次在南海获取可视的块状天然气水合物实物样品。2015年6月-9月,广州海洋地质调查局再次在神狐海域实施23口天然气水合物钻探井,均发现天然气水合物,且矿体厚度大、储量大,呈高饱和度特征。梁金强表示,2017年,中国将和世界同步,开展海域天然气水合物开采实验。

甲烷成因自生碳酸盐岩:采自南海北部陆坡,水深380米。成分以碳酸盐矿物为主,一般出现在天然气水合物分解形成的海底冷泉环境,多呈块状或烟囱奖,烟囱的中空部分为富含甲烷流体通道。甲烷成因自生碳酸盐岩是可燃冰海底运移的通道。

可燃冰或可代替化石燃料

“从目前试采情况来看,包括陆地和海上,都进行了环境方面的监测。比如说阿拉斯加的试开采,对环境是可控的,没有产生不好影响,”现场专家称。该专家透露,我国的油气资源目前产量基本保持在2亿多,如果按照8.5%的需求增长率来说,在2020年会达到10亿的需求量。因此可以预测,未来的缺口会非常巨大。

“可燃冰以储量巨大和高效清洁的特点被誉为21世纪的绿色能源,”梁金强说,可燃冰的资源量丰富。1体积的天然气水合物大概可以分解为164体积的甲烷气体。专家表示,“可燃冰”的资源量巨大,分布广泛,形成速度快,是能量密度非常高的清洁能源。甲烷燃烧充分,开发利用符合低碳经济社会发展需求。如果能够大规模开采应用,将来可以替代资源有限且污染环境的化石燃料。

难点是不容易开采和运输

据了解,近年来,已有不少国家相继进入或即将进入试行开采阶段。不过,要想获得可燃冰并不那么容易。专家表示,目前“可燃冰”勘测的主要难点是不容易开采和运输。“可燃冰”需要在低温高压下才能存在,因此在大规模开采时需要解决如何开采以及开采后如何储存的问题。同时,进行海底开采还要考虑到海底的压力环境,海底压力巨大,对机器设备的作业要求很高,加大了开采的难度。

另外,现在天然气水合物最主要的问题还包括,开采是否会引起海底滑坡的问题。比如说海底“可燃冰”开采出来后会影响海底的结构。“但是现在暂时影响不大。”专家称,这方面的技术肯定会得到解决。

出品:南方都市报科学新闻工作室

主持:陈养凯

采写:南都记者 吴璇 实习生 王旖荻 通讯员 陈惠玲