天然氣水合物，因其外觀類冰且遇火即燃又被稱為可燃冰，是通過將天然氣分子籠絡在由氫鍵所形成的水籠子內，具有穩定晶體結構的化合物。
圖1 可燃冰及其籠型結構
人們在深海和凍土帶發現巨大的可燃冰，所含的天然氣總量約1.8 億億立方米 (1.8 × 1016m3)，約是其它化石燃料儲量總和的兩倍。如此數量巨大的能源，是21世紀具有良好前景的後續能源，成為人們潛在開採目標和新型能源的熱門研究對象。唐代呂洞賓所言“若人尋得水中火，有一黃童上太微。混元海底隱生倫，內有黃童玉帝名。”之飄渺求仙遐想已然照進現實？
圖2 可燃冰在世界範圍內分布，紅點為已探測到的，黃點為可能存在的位置。
可燃冰的開發：安全且可控
可燃冰的安全可控開發可不是一件容易的事。如同冰一樣，可燃冰很容易就溶解了。天然氣就像脫籠鳥兒一樣瘋狂逃竄。你想把它們抓回來可就難了。如果它們能夠溫順地翱翔長空那也還好！但是，被控制在“房間”裡的甲烷可不是那麽聽話，你要知道它的溫室效應能力是二氧化碳的26倍，它可是會“報復”的！
目前，可燃冰開採方法主要包括：減壓開採法、熱激開採法、化學試劑注入法、固體開採法和置換開採法等五種。
減壓開採就像擰開壓力鍋的減壓閥一樣，氣體就蹭蹭往外跑；熱激開採就是把熱水往上澆，看你忍得了？化學試劑注入法就是找“破壞分子”去“挖牆角”，千里之提，潰於蟻穴；顧名思義，固體開採就是用“錘子”直接把你敲碎，看你往哪裡躲。不過，這些拆房間、趕氣體的方法可能會地震海嘯或破壞深海生態等嚴重的環境問題。
2017年5月10日，我國利用具有自主知識產權的分沙鑽探裝備在珠海市東南的神狐海域內的可燃冰礦層採用減壓開採法成功開採出天然氣（圖3）。這次源源不斷的“水中取火”標誌著我國成為世界第一個成功實現佔90%以上資源量、開採難度最大的泥質粉沙型可燃冰礦層的連續開採。
圖3 我國在神狐海域內成功連續減壓試采可燃冰。
二氧化碳置換技術
考慮到全球變暖，“元凶”二氧化碳溫室氣體的有效捕獲和長期安全儲存是人類面臨的一個重大環境挑戰。由於二氧化碳水合物要比甲烷水合物更穩定以及向甲烷水合物注入二氧化碳會促進穩定的原因（圖4），人們提出二氧化碳置換開採可燃冰技術。
二氧化碳置換，是指將二氧化碳氣體注入可燃冰來實現甲烷（天然氣中絕大多數的成分）的開採及二氧化碳封存，是一種達到能源開採和二氧化碳封存的雙贏技術。
這個置換過程就好比進行一場足球比賽。甲烷分子就是場上球員，正在拚搏比賽；二氧化碳分子就是替補球員，養精蓄力；隨著比賽進行，教練發現場上球員已經體力透支，出現抽筋情況了。是該精力旺盛的替補球員“逐鹿中原”了。替補球員你進我出的一個接一個地替換場上球員。而且，整個換人調整過程中，不會中斷比賽，精彩對抗激烈進行。
此技術只需喝少量功能性飲料補充能量，就可以開採到天然氣資源，同時封存二氧化碳氣體；而且浪花淘盡英雄，籠型大廈依舊，慣看深海龍宮。
圖4 甲烷（a）、二氧化碳（b）及甲烷和二氧化碳混合氣體（c）在I型和II水合物結構中的相圖。
新技術：以煙氣為注入氣體置換開採技術
其實，培養一個職業球員可不容易，從小就得層層篩選方能成才。你要得到純二氧化碳也是一樣，必須經過脫硫和催化還原等昂貴複雜過程清除煙氣中主要雜質氣體SOx和NOx，方得正果。你要知道這些雜質氣體可是酸雨的元凶，都想除之後快！從雜質氣體水合物相圖來看（圖6），二氧化硫、硫化氫、一氧化二氮和二硫化碳雜質氣體可比甲烷更喜歡水合物，也都願意代替甲烷照看家園，從此安居樂業，永享太平。
基於此，中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進能源材料工程實驗室（籌）率先提出以煙氣為注入氣體置換開採可燃冰來實現甲烷開採和煙氣封存的概念（圖7）。
圖6 二氧化硫（a）、硫化氫（b）、一氧化二氮（c）和一氧化氮（d）氣體在I型和II水合物結構中的相圖。
我們只需扔掉煙氣中極少的“破壞分子”，留下二氧化碳和其他雜質氣體就可置換開採可燃冰。如示意圖所描繪的願景，煙氣注入可燃冰後，經過複雜的置換過程，留下了煙氣新住客和那些為人民服務的甲烷分子。以煙氣為注入氣體置換開採技術能在不破壞水合物結構的前提下置換開採可燃冰，將大大降低二氧化碳置換開採可燃冰技術的成本，同時實現煙氣封存來減緩溫室效應的氣候變遷和降低酸雨等環境汙染。
我們期待這個新技術能夠落地生根、開花結果，給可燃冰開採技術注入新思維、新活力。
來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所
本文經授權轉載自《中科院之聲》微信公眾號
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