海底“可燃冰”是怎么形成的?

2018年11月03日 公司新闻 69 views

编著:青岛海洋地质研究所 卜庆涛    

随着我国海域天然气水合物试采成功,“可燃冰”这一潜在的新能源逐渐进入公众视野,大家都了解了可燃冰是一种像冰一样的可以燃烧的能源。虽然我国实现了可燃冰的成功试采,但是可燃冰的野外样品还是弥足珍贵的。

那么海底的“可燃冰”到底是怎么形成的呢?

要形成“可燃冰”,需要达到两个方面的条件,一是环境条件,二是物质供应。环境条件又包括这几个方面:首先是温度和压力条件,“可燃冰”的存在受一定的温度和压力条件控制,一般是低温和高压条件,“可燃冰”存在于底层水温度接近0℃且水深超过300m的区域。其次是气体运移通道,“可燃冰”的形成需要大量的气,一般来说,海底沉积物里边的气不足以满足“可燃冰”的形成,需要下面深部甲烷气体的供给。因此,气体运移是“可燃冰”形成过程中一个很关键的组成部分。再次是有利储层,“可燃冰”的生成需要良好的沉积物环境,一般较粗粒的沉积物利于“可燃冰”的形成。

                                                   图1 海底“可燃冰”形成概念图

物质供应方面,“可燃冰”的形成需要气和水,气体主要是存在于沉积物中的甲烷、乙烷等烃类气体,水主要是指沉积物孔隙中活动的游离水。当水和气体在合适的温度压力条件下相遇时,就能够形成“可燃冰”。

                                                   图2 “可燃冰”形成示意图

科学家需要针对可燃冰进行科学实验研究,另一方面社会大众需要进一步更好的认识可燃冰,这就需要很多的可燃冰样品。因此这就需要我们实验室大量人工合成可燃冰。那么实验室中是如何人工合成“可燃冰”的呢?

首先要考虑可燃冰的形成条件,可燃冰的形成主要受压力和温度控制。温度不能太高,压力要足够大。可燃冰的形成有其特定的相平衡条件,即合适的温度压力范围,超出温度压力范围便达不到可燃冰的形成条件。在实验室内,形成可燃冰的环境温度一般控制在2℃,压力在5MPa以上,大约50个大气压之上。其次考虑可燃冰形成所需的材料,可燃冰可以点着,能够燃烧,实际上不是冰在燃烧,而是可燃冰失稳后分解所释放出的可燃气体在燃烧。我们知道可燃冰是在低温和高压条件下由天然气和水形成,因此合成可燃冰用到的主要材料就是气体和水。气体主要用到的就是甲烷气体,根据实验目的不同,还会用到乙烷、丙烷等其他的烃类气体。水主要用的实验室纯水,经过实验室多次尝试,还会将水制成冰块或冰粉,以增加可燃冰的合成效率。另外,在进行可燃冰的合成时,有时也会添加一些促进剂,用以提高可燃冰的合成速率。

人工合成可燃冰的工艺如下:

1、将控制环境温度的水浴槽或空气浴恒温箱进行降温,温度控制在2℃;

2、检验合成用高压反应容器(专业称之为反应釜)的密封性;

3、将纯水(或冰粉、冰块)放入反应容器中,封闭反应容器,并向其中通入合成用的甲烷气体(或其他气体);

4、观察压力表示数,待压力达到预期压力,停止供气,将供气端阀门封闭;

5、将高压反应容器放置于控温水浴槽中,进行可燃冰的合成;

6、等待可燃冰生成,根据实验条件不同,生成时间可长可短,从十几小时到几天时间不等;

7、随着可燃冰的生成,高压反应容器中的压力会降低,待压力降低后保持低压力值不变,表明可燃冰生成基本结束,此时可将可燃冰取出;

8、可燃冰取出时,先将高压反应容器中的剩余气体排出,由于在常温常压下可燃冰难以保存,因此要将高压反应容器放入液氮中;

9、在液氮中打开高压反应容器的端盖,使用专用工具将可燃冰取出,放入样品罐或样品袋中,要及时放入液氮罐中保存;

10、至此,人工合成可燃冰及取样保存工作完成。

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