幻想未來的海洋

【專家解說】：海洋石油和天然氣開發(fā) 石油和天然氣資源據(jù)1995年的估計世界近海已探明的石油資源儲量為379億噸，天然氣的儲量為39萬億立方米。據(jù)不完全統(tǒng)計，海底蘊藏的油氣資源儲量約占全球油氣儲量的1/3。預計在本世紀，海底油氣開發(fā)將從淺海大陸架延伸到千米水深的海區(qū)。 世界海洋石油的絕大部分存在與大陸架上。據(jù)測算，全世界大陸架面積約為3000萬平方公里，占世界海洋面積的8%。關于海洋石油的儲藏量，由于勘探資料和計算方法的限制，得出的結(jié)論也各不相同。法國石油研究機構(gòu)的一項估計是：全球石油資源的極限儲量為10000億噸，可采儲量為3000億噸。其中海洋石油儲量約占45%，即可采儲量為1350億噸。 半坐底式平臺（用于深水開采） 波斯灣大陸架石油產(chǎn)量較早進入大規(guī)模開采，連同附近陸地上的海洋石油產(chǎn)量，供應了戰(zhàn)后世界石油需求的一半以上。歐洲西北部的北海是僅次于波斯灣的第二大海洋石油產(chǎn)區(qū)。美國、墨西哥之間的墨西哥灣，中國近海，包括南沙群島海底，都是世界公認的海洋石油最豐富的區(qū)域。 在海洋進行石油和天然氣的勘探開采工作要比陸地上困難多。必須具備一些與陸地不同的特殊技術(shù)，如平臺技術(shù)、鉆井技術(shù)和油氣輸送技術(shù)等。 工作平臺有固定式平臺和移動式鉆井平臺，移動式鉆井平臺克服了固定式平臺建、柴禾不能重復使用的缺點，并大大增加了工作深度。移動式海洋石油鉆井設備擁有自己的浮力結(jié)構(gòu)，可以有拖船拖著移動。有的還擁有自己的動力設備，可以自航。移動式海洋鉆井設備包括：座底式平臺、自升式平臺、半潛式平臺和鉆井船。其中半潛式平臺是目前適合于較深水域作業(yè)的先進平臺，它既能克服鉆井船的不穩(wěn)定性又能在較深水域中作業(yè)。 為向深水石油開發(fā)進軍，研究穩(wěn)定有廉價的深水平臺和深水重力平臺。張力推平臺用繃緊的鋼索系留，工作水深刻達600--900米。后兩種平臺都是從海底直立到海面的固定平臺，其特點主要是采用縮小橫斷面等技術(shù)，降低造價，其工作深度可達500--600米。 海洋生物資源開發(fā) 中國海域的生物種類豐富多樣，已有描述記錄的物種達2萬多種。海產(chǎn)魚類1500種以上，產(chǎn)量較大的有200多種。漁場面積280萬平方公里，水產(chǎn)品年產(chǎn)量達2800多萬噸，居世界首位。 我國海洋生物的物種較淡水多得多，有記錄的3802種魚類，海洋就占3014種。此外，我國還擁有紅樹林、珊瑚礁、上升流、河口海灣、海島等各種海洋高生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)，對各類海洋生物的繁殖和生長極為有利。 經(jīng)濟學家預言：21世紀將是海洋的世紀?！昂Ｑ笏a(chǎn)生產(chǎn)農(nóng)牧化”、“藍色革命計劃”和“海水農(nóng)業(yè)”構(gòu)成未來海洋農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向。 海洋水產(chǎn)生產(chǎn)農(nóng)牧化 就是通過人為干涉，改造海洋環(huán)境，以創(chuàng)造經(jīng)濟生物生長發(fā)育所需的良好環(huán)境條件，同時也對生物本身進行必要的改造，以提高它們的質(zhì)量和產(chǎn)量。具體就是建立育苗廠、養(yǎng)殖場、增殖站，進行人工育苗、養(yǎng)殖、增殖和放流，使海洋成為魚、蝦、貝、藻的農(nóng)牧場。中國目前已是世界第一海水養(yǎng)殖大國。隨著海洋生物技術(shù)在育種、育苗、病害防治和產(chǎn)品開發(fā)方面的進一步發(fā)展，海水養(yǎng)殖業(yè)在21世紀將向高技術(shù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。 藍色革命計劃 是著眼于大洋深處海水的利用。在大洋深處，深層水溫只有8℃～9℃，氮和磷是表層海水的200倍和15倍，極富營養(yǎng)。將深層水抽上來，遇到充足的陽光，就會形成一個產(chǎn)量倍增的新的人工生態(tài)系統(tǒng)。溫差可以用來發(fā)電或直接用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。美國和日本已經(jīng)在進行這種人工上升流試驗，認為將引發(fā)一場海水養(yǎng)殖的革命，所以稱為“藍色革命”。 海水農(nóng)業(yè) 是指直接用海水灌溉農(nóng)作物，開發(fā)沿岸帶的鹽堿地、沙漠和荒地?！八{色革命計劃”是把海水養(yǎng)殖業(yè)由近海向大洋擴展?！昂Ｋr(nóng)業(yè)”則是要迫使陸地植物“下?！?，這是與以淡水和土壤為基礎的陸地農(nóng)業(yè)的根本區(qū)別。人類為了獲得耐海水的植物正在進行艱苦的探索，除了采用篩選、雜交育種外,還采用了細胞工程和基因工程育種。這些研究仍在繼續(xù),目前采用品種篩選和雜交等傳統(tǒng)方法已經(jīng)獲得了可以用海水灌溉的小麥、大麥和西紅柿等。 海水資源開發(fā) 沿海工業(yè)用海水在發(fā)達國家已達90％以上，如果我國也能大力推廣海水利用，是可以大大緩解濱海城市缺水問題的。 海水直接利用 海水直接利用的方面多，用水量大，在緩解沿海城市缺水中占有重要地位。在發(fā)達國家，海水冷卻廣泛用在沿海電力、冶金、化工、石油、煤炭、建材、紡織、船舶、食品、醫(yī)藥等工業(yè)領域。日本和歐洲每年都約3000億立方米，目前，我國僅100多億立方米。如果積極把海水在工業(yè)中作冷卻水、沖洗水、稀釋水等以及居民的沖廁用水（約占居民生活用水的35％）發(fā)展起來，對緩解沿海城市缺水問題，將起重大作用。 海水直接利用的技術(shù)包括：海水直流冷卻技術(shù)，已有80年應用史，是目前工業(yè)應用的主流；海水循環(huán)冷卻技術(shù)，我國尚處研究階段；海水沖洗等技術(shù)等。與海水直接利用的有關重要技術(shù)，還包括耐腐蝕材料，防腐涂層，陰極保護，防生物附著，防漏滲，殺菌，冷卻塔技術(shù)等。 海水淡化 海水淡化技術(shù)，經(jīng)半個多世紀的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)成熟。主要的淡化方法有： 多級閃蒸（MSF）。單機容量可達4.5－5.7萬m3／d。運行溫度、造水比和級數(shù)分別在120℃、10和40級。多級閃蒸除了消耗一定的加熱蒸汽外，要消耗電能4～5kWh／m3淡水，用于海水的循環(huán)和流體的輸送。 低溫多效（LT－MDE）技術(shù)是在多效基礎上，于1975年發(fā)展起來的，近10年有較大發(fā)展。單臺裝置每天可產(chǎn)淡水20000立方米。蒸發(fā)溫度低于800度，效數(shù)一般在12效左右。造水比大于10。低溫多效除了要消耗的加熱蒸汽外，要耗電能1.8kWh／m3用于流體輸送。 反滲透（SWRO）RO角膜和組件技術(shù)已相當成熟，組件脫鹽率可達99.5％，能耗在3～4kWh／m3淡水。SWRO技術(shù)設備投資少、能耗低、效益高、工藝成熟，已有30年的經(jīng)驗積累，競爭力最強。 最近，日本辛德萊拉依特公司開發(fā)出一種低成本、高效率的海水淡化新裝置。其外表是一個不銹鋼制多孔圓筒，里面裝有一個由1000枚外徑156毫米、內(nèi)徑136毫米不銹鋼片摞成的管。這支管經(jīng)緩慢擰曲，內(nèi)外會因不銹鋼片位移而形成凸凹不平的層次，層次間出現(xiàn)納米級空隙。使用時，首先將海水放入結(jié)晶裝置中，再施加高頻電壓進行“加工”。幾十秒鐘后，海水中鈉離子和氯離子會發(fā)生化合而形成細微食鹽晶體，并逐漸增長為1微米左右的粒子。這些粒子凝聚后，可形成直徑為幾微米、容易被過濾掉的鹽粒。然后，把這種海水放進上述不銹鋼圓筒的容器中，施加一定壓強，鹽粒就會被擋在管外，其余受壓而浸入擰曲管內(nèi)的水便是要得到的淡水，其鹽分濃度為0．067％左右，氯化鎂等礦物質(zhì)含量是正常海水的一半，成為理想的飲用水。 新型裝置效率是浸透膜方法的3倍，海水利用程度高達95％，所需電費和維修費都很低。該公司已經(jīng)制造出每分鐘可生產(chǎn)200升淡水的大型裝置。 世界海水淡化的日產(chǎn)量已經(jīng)達到2700萬噸，并且還在以10％～30％的速度攀升。目前海水淡化的國際市場容量已經(jīng)達到20多億美元，主要由美、日等強國瓜分，未來20年有近700億美元，市場潛力巨大。在多次國際海水淡化會議上，第三世界國家的代表迫切希望中國的海水淡化技術(shù)能夠進入國際市場，打破目前的壟斷格局。 與核能等新能源結(jié)合是海水淡化降低成本走向大型化的趨勢。中國核工業(yè)總公司已經(jīng)掌握了低品位核燃料的高效利用新技術(shù)。據(jù)測算如果把世界上廢棄的低品位核燃料全部利用，可建立300余座20萬千瓦的低溫核供熱堆（中國現(xiàn)有廢料可建10座）。這些熱量全部用于海水淡化，每天可生產(chǎn)2400萬立方米的優(yōu)質(zhì)淡化水，供養(yǎng)的人口超過2億。核能技術(shù)與海水淡化的結(jié)合除了要求核技術(shù)本身是成熟的之外，還需要成熟的先進蒸餾法海水淡化技術(shù)與之配套，更能顯示其技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。海水淡化技術(shù)與中國的核工業(yè)捆綁進入國際市場，形成核能海水淡化產(chǎn)業(yè)，可實現(xiàn)和平利用核能為人類造福。如果中國能占領1／5的核能淡化市場，可實現(xiàn)核供熱設備銷售產(chǎn)值150億元，海水淡化設備銷售產(chǎn)值480億元，形成我國有自主知識產(chǎn)權(quán)、國際競爭能力的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。 海水淡化在推進海水利用中地位重要。沿海工業(yè)利用淡化海水雖然量少，但是性質(zhì)重要，目前全國的海水淡化，每年就能節(jié)省約400萬立方米陸地水，對保證沿海工業(yè)生產(chǎn)的需要和居民生活用水發(fā)揮了重大作用。目前海水淡化成本一般4至5元，如果熱電水聯(lián)產(chǎn)海水淡化成本可降到4元以下，如果再發(fā)展海水綜合利用，把濃縮海水用來提取化學元素，其淡化成本還要降低。目前海水淡化的成本已為島嶼用淡水和沿海發(fā)電廠用淡水和純水所接受。 海水化學物質(zhì)提取利用 海水中化學物質(zhì)提取是有無限前景的新興產(chǎn)業(yè)。溶解于海水的3.5％的礦物質(zhì)是自然界給人類的巨大財富。不少發(fā)達國家已在這方面獲取了很大利益。我國對海水化學元素的提取，目前形成規(guī)模的有鉀、鎂、溴、氯、鈉、硫酸鹽等。但除氯化鈉是從海水中直接提取的以外，其他元素僅限于從地下鹵水和鹽田苦鹵的提取，而且，資源綜合利用工藝流程落后，產(chǎn)品質(zhì)量與國際有一定差距，急需技術(shù)更新和設備改造。我國是世界海鹽第一生產(chǎn)大國，年產(chǎn)量近2000萬噸；目前，我國還處在鹽堿工業(yè)向海洋化工工業(yè)的過渡階段，經(jīng)過“八五”、“九五”技術(shù)攻關，直接從海水中提取化學物質(zhì)的產(chǎn)業(yè)正在我國逐步形成。全球數(shù)量巨大的海水，其體積為13.7億立方公里，約137億億噸。海水本身就是一座資源寶庫，海水中溶解有80多種金屬和非金屬元素。通常把海水中的元素分為兩類：每升海水中含有1毫克以上的元素叫常量元素；含量在1毫克以下的元素稱為微量元素。海水中微量元素有60多種，如鋰(Li)有2500億噸，它是熱核反應中的重要材料之一，也是制造特種合金的原料；銣(Rb)有1800億噸，它可以制造光電池和真空管；碘(I)有800億噸，它可以用于醫(yī)藥，常用的碘酒就是用碘制成的。 綜合開發(fā)海水技術(shù) 與發(fā)達國家比，我國綜合提取利用技術(shù)差距較大，但是自90年代以來有很大發(fā)展，從傳統(tǒng)的苦鹵化工“老四樣”（氯化鉀、氯化鎂、硫酸鈉和溴），已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的近百個品種。 還可以加大力度發(fā)展的項目有：發(fā)展提溴新技術(shù)，以提高現(xiàn)有地上鹵水資源的溴利用率，提高溴質(zhì)量，減少能耗，降低成本，積極發(fā)展高效溴化劑和新型阻燃劑等；積極發(fā)展“無機離子交換法海水、鹵水提鉀技術(shù)”，這項技術(shù)的成功，可以改造老鹽化工企業(yè)，并能彌補我國陸地鉀資源的不足；積極發(fā)展高技術(shù)含量、高附加值的鎂新產(chǎn)品；加強海水提鈾技術(shù)的研究開發(fā)；加強直接從海水提取其他化學物質(zhì)的研究和開發(fā)，以及水、電、熱聯(lián)產(chǎn)與海水綜合利用的結(jié)合。 海洋能源 海洋能包括溫度差能、波浪能、潮汐與潮流能、海流能、鹽度差能、岸外風能、海洋生物能和海洋地熱能等8種。這些能量是蘊藏于海上、海中、海底的可再生能源，屬新能源范疇。所謂“可再生”是指它們可以不斷得到補充，永不會枯竭，不像煤、石油等非再生能源，儲量有限，開采一點就少一點。人們可以把這些海洋能以各種手段轉(zhuǎn)換成電能、機械能或其他形式的能，供人類使用。海洋能絕大部分來源于太陽輻射能，較小部分來源于天體(主要是月球、太陽)與地球相對運動中的萬有引力。蘊藏于海水中的海洋能是十分巨大的，其理論儲量是目前全世界各國每年耗能量的幾百倍甚至幾千倍。 法國郎斯潮汐電站示意圖 花環(huán)式海流發(fā)電站示意圖 海洋能具有一些特點。第一，它在海洋總水體中的蘊藏量巨大，而單位體積、單位面積、單位長度所擁有的能量較小。這就是說，要想得到大能量，就得從大量的海水中獲得。第二，它具有可再生性。海洋能來源于太陽輻射能與天體間的萬有引力，只要太陽、月球等天體與地球共存，這種能源就會再生，就會取之不盡，用之不竭。第三，海洋能有較穩(wěn)定與不穩(wěn)定能源之分。較穩(wěn)定的為溫度差能、鹽度差能和海流能。不穩(wěn)定能源分為變化有規(guī)律與變化無規(guī)律兩種。屬于不穩(wěn)定但變化有規(guī)律的有潮汐能與潮流能。人們根據(jù)潮汐潮流變化規(guī)律，編制出各地逐日逐時的潮汐與潮流預報，預測未來各個時間的潮汐大小與潮流強弱。潮汐電站與潮流電站可根據(jù)預報表安排發(fā)電運行。既不穩(wěn)定又無規(guī)律的是波浪能。第四，海洋能屬于清潔能源，也就是海洋能一旦開發(fā)后，其本身對環(huán)境污染影響很小。 各種海洋能的蘊藏量是巨大的，據(jù)估計有750多億千瓦，其中波浪能700億千瓦，溫度差能20億千瓦，海流能10億千瓦，鹽度差能10億千瓦。從各國的情況看，潮汐發(fā)電技術(shù)比較成熟。利用波能、鹽度差能、溫度差能等海洋能進行發(fā)電還不成熟，目前正處于研究試驗階段。這些海洋能至今沒被利用的原因主要有兩方面：第一，經(jīng)濟效益差，成本高。第二，一些技術(shù)問題還沒有過關。 核能能夠發(fā)生裂變反應的最佳物質(zhì)是鈾，能夠發(fā)生聚變反應的最佳物質(zhì)是氘。這兩種物質(zhì)的絕大部分賦存在海水里。 鈾是高能量的核燃料，1千克鈾可供利用的能量相當于2250噸優(yōu)質(zhì)煤。然而陸地上鈾礦的分布極不均勻，并非所有國家都擁有鈾礦，全世界的鈾礦總儲量也不過2×106噸左右。但是，在巨大的海水水體中，含有豐富的鈾礦資源，總量超過4×109噸，約相當于陸地總儲量的2000倍。 吸附法海水提鈾示意圖 海水提鈾的方法很多，目前最為有效的是吸附法。氫氧化鈦有吸附鈾的性能。利用這一類吸附劑做成吸附器就能夠進行海水提鈾?，F(xiàn)在海水提鈾已從基礎研究轉(zhuǎn)向開發(fā)應用研究。日本已建成年產(chǎn)10千克鈾的中試工廠，一些沿海國家亦計劃建造百噸級或千噸級鈾工業(yè)規(guī)模的海水提鈾廠。如果將來海水中的鈾能全部提取出來，所含的裂變能相當于l×1016噸優(yōu)質(zhì)煤，比地球上目前已探明的全部煤炭儲量還多1000倍。 重水也是原子能反應堆的減速劑和傳熱介質(zhì)，也是制造氫彈的原料，海水中含有2×1014噸重水，氘是氫的同位素。氘的原子核除包含一個質(zhì)子外，比氫多了一個中子。氘的化學性質(zhì)與氫一樣，但是一個氘原子比一個氫原子重一倍，所以叫做“重氫”。氫二氧一化合成水，重氫和氧化合成的水叫做“重水”。如果人類一直致力的受控熱核聚變的研究得以解決，從海水中大規(guī)模提取重水一旦實現(xiàn)，海洋就能為人類提供取之不盡、用之不竭的能源。蘊藏在海水中的氘有50億噸，足夠人類用上千萬億年。實際上就是說，人類持續(xù)發(fā)展的能源問題一勞永逸地解決了。