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可燃冰开采过程中产生的环境影响

发布时间:2020-07-10 07:07:15 浏览数:

摘 要:可燃冰是一種“绿色”、清洁的新能源,其储量大、能量高、污染小的种种优势,为未来世界能源结构的调整提供了可能性。本文分析了可燃冰在开采过程中可能产生的各类环境影响,并提出了对未来此领域研究的展望。

关键词:天然气水合物;可燃冰;水合物开采;环境影响

Abstract:Natural gas hydrate is a type of“green”and clean new energy, which has the advantages of large reserves, high energy and light pollution, thus providing the possibility for the future adjustment of the energy structure of the world.This paper analyzes the various environmental impacts that natural gas hydrates may produce during the mining process, and the future research prospects in this field are put forward.

Key words:natural gas hydrate;combustible ice;gas hydrate mining;Environmental impacts

一个国家的飞速发展离不开能源的大量消耗。世界能源消耗主要来源于一次不可再生能源,且仍在持续增长,严重污染了环境。能源结构的调整可使绝大多数环境问题得到缓解,可燃冰的出现为加快能源结构调整、减轻环境负荷开出了一剂良药。

“可燃冰”(Combustible ice),学名为天然气水合物(Natural Gas Hydrate),是一种天然的、类似冰的结晶物质,由天然气和水在高压低温条件下形成。它被认为是一种潜在的替代能源:可燃冰广泛分布于深海沉积物或陆域永久冻土中,其储量甚至超过了所有已探明的常规化石燃料(包括煤、石油和天然气)的总储量[1]。除此之外,1立方米的可燃冰可分解释放出160-180立方米的天然气。其能量密度是煤的10倍,且燃烧后不产生任何残渣和废气,避免了污染问题。

基于种种能源优势,世界各国都对可燃冰展开了高密度的研究,近年来主要集中在可燃冰的勘探、CO2置换开采技术等方面。然而,在其开采过程中也会产生很多环境问题。

可燃冰仅在特定的温度和压力范围内稳定。一旦周围环境条件发生变化时,温度-压力平衡就会遭到破坏,导致永久冻土和深海环境中的可燃冰发生解体,释放出被困甲烷,从而产生各种强烈的环境影响。

1 引发海底滑塌

可燃冰的形成和分离对海洋沉积物的力学性质有重要影响。当液态水和溶解气体结合形成固态水合物时,沉积物的抗剪强度增大。开采过程会导致水合物不稳定,并分解成水和气体。这种从固体到液态和气态的转变造成了地层的抗剪强度的降低,进而在某些部位产生失稳现象,形成巨大的滑塌块体滑入深海,并使深海生态环境遭受灾难性后果。有研究表明,大约7000年前,挪威海岸发生了由可燃冰引发的海啸[1]。

2 破坏海洋生态平衡

2.1 海洋酸化

开采过程中释放的甲烷可能导致海洋酸化。超过50%的溶解甲烷可以被微生物厌氧氧化而保留在海底。这些微生物将甲烷和氧气转化为二氧化碳,从而对海洋pH值产生影响,增加海水酸度。

海洋酸化可能对海洋生态系统造成不利影响。海洋系统的pH值降低,使得依赖于化学环境稳定性的多种海洋生物面临巨大威胁:影响海洋中的微生物多样性、初级生产力和微量气体的排放,控制群体感应、细胞外酶活性和氮循环等微生物活动。

2.2 海底生物灭绝

可燃冰与海底生物灭绝有着直接的关系。天然气水化合物开采过程中释放的甲烷将消耗大量氧气,对好氧生物产生不利影响,甚至出现物种灭绝,破坏海洋生态系统的平衡。有学者根据高分辨率碳同位素记录,推断出古新世与始新世时期海底可燃冰大规模释放甲烷气体,造成了大量海洋生物灭绝。一旦某些海底生物灭绝,海洋生物多样性遭到破坏,便很难恢复。

2.3 加剧温室效应

可燃冰的开采过程中释放出甲烷,到达大气,可能加剧温室效应。目前还没有确凿的证据证明水合物生成的甲烷正在进入大气,但Cicerone等做过确定的假设:每年大约5百万吨(Tg)的甲烷排放归因于可燃冰的分解。这一数量的甲烷大约是每年从所有自然和人为来源得到的每年555 Tg甲烷排放量的1%。

甲烷的全球变暖潜值(GWP)为21,这意味着释放到大气中的一吨甲烷在100年内的变暖潜力是一吨二氧化碳的21倍。开采过程中甲烷大规模泄露可加剧温室效应,导致全球气温上升;全球气温升高引起冻土消融、海平面上升,将进一步加剧海底地层中可燃冰的失稳分解,形成恶性循环。这种气候变暖与可燃冰分离甲烷的协同作用,助长了一种普遍的看法,即全球变暖可能会导致可燃冰储层发生灾难性的甲烷释放。大规模甲烷释放,除了导致全球大幅温度上升,威胁居住地,海平面上升后还会造成海岸侵蚀、咸潮、海水入侵与土壤盐渍化等严重灾害。

目前可燃冰还未实现商业化开采。但由于可燃冰污染小,能量高、储量大等特点,各个国家都对可燃冰进行着高密度的研究,以寻找各种商业化开采的(下转第247页)(上接第242页)可能性。我国对可燃冰的研究水平虽处于初级阶段,其发展却很迅速。2017年5月,我国首次海域可燃冰试采成功,这意味着在可燃冰的试采工艺上,我国处于国际领先地位。在这个高速发展的过程中,更加不能忽视可燃冰开采过程中产生的环境影响。

为了更好地解决可燃冰开采过程中潜在的种种环境问题,现提出以下几点展望:第一,更充分的了解控制可燃冰形成与分布的地质因素和其所处的海洋环境,能够做到“精准勘探”、“精准开采”;第二,对天然气水化合物可能产生的各种影响进行实时监测;与已知气体成分建立联系,开发模型:如寻求更多的观测数据和改进的数值模型,更好地描述气候水合物与全球变暖的协同作用;第三,对环境影响和环境保护的积极对策进行全面的综合评价。环境影响的不可预知性和偶然性要求进行更多、更全面的环境影响评价和管理控制研究;最后,大力鼓励国际合作与交流。目前全球可燃冰研究的进行较为缓慢,国际间的合作与交流可以提升整体科研水平,应大力提倡。

可燃冰的开发与利用仍处于实验阶段,还未有成熟完善的开采技术以供使用,对其开采过程中产生的环境影响和潜在风险的认识也还远远不够。还需要进一步的长时间探索,在有效开发利用的同时减轻其环境负荷。

参考文献:

[1]Zhao J,Song Y,Lim X L, et al.Opportunities and challenges of gas hydrate policies with consideration of environmental impacts[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews,2017,70:875-885.

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