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什麼是可燃冰?

與天然氣的化學成分類似,可燃冰的「可燃」部分主要是甲烷,「不可燃」部分則是水。那麼,可燃冰長什麼樣?將部分可燃冰樣品放置在電子顯微鏡下,順帶發揮科研人員豐富的想像力,便可知曉其廬山真面目。

根據下圖可知,在微觀世界裡,可燃冰實則由一個又一個緊挨著的「籠子」組成,我們稱之為晶胞,每個「籠子」由20個水分子通過氫鍵注1相互連接構成,而「囚徒」則是1個甲烷分子,因此可燃冰狹義上也成為甲烷水合物,化學式是CH4g20H2O,而廣義上的可燃冰,「囚徒」可能是氮氣、氧氣、乙烷、丙烷等分子。


什麼是可燃冰?

遠古時期,大量有機動植物掩埋在地下,經過數億個春秋,方才重見天日,然後它們早已面目全非,變成了石油、煤炭、天然氣等。與天然氣類似的可燃冰的形成條件卻十分「親民」,只需三個基本條件:第一,要有氣源(甲烷),第二,溫度介於10~-10攝氏度之間,第三,壓力適中,例如在0攝氏度的條件下,需要30個標準大氣壓。因此,可燃冰在地球上分布甚廣,遍布90%的海域以及27%的陸地,尤其在遠洋深海以及陸地的永凍層,儲存量更是十分驚人,據估計,可燃冰的含量約為全球所有化石能源的2倍。

什麼是可燃冰?

目前,成熟的開採方案有5種,其中熱解法、降壓法操作十分簡單,只要有火源便能加熱(通常採取電磁加熱、核輻射加熱),將可燃冰暴露於空氣中便能降壓。置換法可謂一箭雙鵰,由於二氧化碳的相平衡條件注2低於甲烷的流體,可置換出並代替「籠子」里的甲烷分子,此法不但可以開發甲烷,還能固碳,減少大氣中的二氧化碳。化學試劑注入法則是給可燃冰注入大量的水合物抑製劑(甲醇、丙醇等),提高其相平衡條件,從而造成「籠子」破裂,釋放出甲烷,此法成本極高,抑製劑還會造成環境污染。綜合法,顧名思義,靈活混用以上4種方法進行開採。

可燃冰大有替代傳統化石能源的趨勢,為何至今仍未商業化?開採容易收集難。平均每1立方米的「冰」可分解成164立方米的天然氣和0.8立方米的水,由於氣相膨脹,在開採過程中,目前無法避免部分甲烷逃逸,進入海水會發生氧化作用,消耗海水的含氧量,對海洋生態帶來危害。


什麼是可燃冰?

若逃逸到大氣中,在等體積的情況下,甲烷的溫室效應約為二氧化碳的25倍,已探明的可燃冰甲烷含量約為大氣甲烷含量的3000倍,假設約有1%的甲烷逃逸,理論上,大氣的甲烷含量將增加30倍,其帶來的溫室效應將是滅頂之災。可幸的是,甲烷在大氣中的壽命為12年,此後便分解,因此目前適量開採可燃冰未嘗不可。更可怕的是,大陸架的可燃冰一旦被開採,其岩層結構發生改變,重則導致大陸架坍塌、海嘯等自然災害。

縱使前方荊棘遍布,科學家們也會義無反顧,一旦開採技術成熟,可燃冰將會徹底改變世界能源格局。

註解:

1. 氫鍵之間的力較弱,因此「籠子」不穩定,一遇到高溫低壓,氫鍵便會斷裂,「籠子」破裂,甲烷逸出;

2. 相平衡條件:本文指的是溫度、壓力平衡,二氧化碳熔點(凝固點)高於甲烷.

參考文獻:張旭輝、魯曉兵、劉樂樂《天然氣水合物開採方法研究進展》.

什麼是可燃冰?

作者寫於2016-05-27
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