化石燃料

簡(jiǎn)介

　　在踏入全球現(xiàn)代化的步伐20世紀(jì)至21世紀(jì)中，化石燃料（fossilfuel）潛在著能源短缺的危機(jī)，特別是從石油提煉出來(lái)的汽油，是引致全球石油危機(jī)的一個(gè)原因。現(xiàn)時(shí)，全球正趨向發(fā)展可再生能源和核能，這可以幫助增加全球的能源所需。

　　人類不斷地燃燒化石燃料而排放二氧化碳（溫室氣體的主來(lái)源之一），是加快全球變暖的因素之一。此外，生物燃料中的二氧化碳成份是來(lái)自大氣層，因此發(fā)展生物燃料可以減少在大氣層上的二氧化碳，從而減低溫室效應(yīng)。

　　到目前為止，世界各國(guó)所用的燃料幾乎都是化石燃料，即石油、天然氣和煤。自然界經(jīng)歷幾百萬(wàn)年逐漸形成的化石燃料，可能在幾百年內(nèi)全部被人類耗盡。據(jù)觀察、研究表明，今天在地下已沒(méi)有煤和石油在形成。石油也叫原油，它是黃色到黑色的可燃性粘稠液體，常跟天然氣共存，是很復(fù)雜的混合物。石油的性質(zhì)因產(chǎn)地不同而不同，密度、粘度和凝固點(diǎn)的差別很大，例如，凝固點(diǎn)有的高達(dá)30℃，有的低到-66℃。熱值從43.7～46.2MJ/kg。石油中各組分的沸點(diǎn)差別也很大，從25℃～500℃以上。石油里的主要元素是碳和氫，分別占83～87%和11～14%。此外還含有少量的硫(0.06～8%)、氮(0.02～1.7%)、氧(0.08～1.8%)以及微量金屬元素(鎳、釩、鐵、銅)等。天然氣從廣義上講，指埋藏在地層中自然形成的氣體的總稱。但通常所指的天然氣只指貯藏在地層較深部的可燃性氣體(氣態(tài)的化石燃料)和跟石油共存的氣體(常稱油田伴生氣)。天然氣的主要成分是甲烷。此外，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，還含有不同數(shù)量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷等低碳烷烴以及二氧化碳、氮?dú)狻錃?、硫化物等非烴類物質(zhì)。有的氣田中還含有氦氣。甲烷含量高的天然氣叫干氣，兩個(gè)或兩個(gè)以上碳原子烷烴含量較高的天然氣稱為濕氣。我國(guó)四川自貢盛產(chǎn)天然氣。煤也叫煤炭，它是埋藏在地下的固態(tài)可燃性礦物。煤是一種混合物，沒(méi)有單一的分子結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)科學(xué)家長(zhǎng)期研究，已經(jīng)有煤結(jié)構(gòu)的普通型式介紹。煤的結(jié)構(gòu)里有大量的碳原子環(huán)，一些環(huán)相互稠合，另一些環(huán)鍵合成長(zhǎng)鏈。比較常見的有W．H．懷澤的煙煤結(jié)構(gòu)模型，但都還沒(méi)有能揭示煤的實(shí)質(zhì)結(jié)構(gòu)。煤中有機(jī)質(zhì)元素主要是碳，其次是氫，還有氧、氮和硫等元素。

種類劃分

　　化石燃料是指煤炭、石油、天然氣等這些埋藏在地下和海洋下的不能再生的燃料資源?；剂现邪绰癫氐哪芰康臄?shù)量的順序分有煤炭類、石油、油頁(yè)巖、天燃?xì)狻⒂蜕耙约昂Ｏ碌?span id="zzrldxb" class='hrefStyle'>可燃冰等。

　　煤炭是埋藏在地下的植物受地下和地?zé)岬淖饔茫?jīng)過(guò)幾千萬(wàn)年乃至幾億年的炭化過(guò)程，釋放出水份、二氧化碳、甲烷等氣體后，含氧量減少而形成的，含炭量非常豐富。由于地質(zhì)條件和進(jìn)化程度不同，含炭量不同，從而發(fā)熱量也就不同。按發(fā)熱量大小順序分為無(wú)煙煤、煙煤和褐煤等。煤炭在地球上分布較為廣泛，不集中某一產(chǎn)地。

　　石油是水中堆積的微生物殘骸，在高壓的作用下形成的碳?xì)浠衔铩Ｊ徒?jīng)過(guò)精制后可得到汽油、煤油、柴油和重油。石油在地球上分布不均，中東占54%，北美占12%，南美占9%，幾乎占了可確認(rèn)埋藏量的3/4。

　　油頁(yè)巖是水藻炭化后形成的，含灰分過(guò)多，多半不能自烯。油砂是含重質(zhì)油4～20%的砂子。油頁(yè)巖和油砂在美洲大陸偏多。

　　天然氣直接采掘于地下，含甲烷為主。在攝氏零下162度被冷卻，液化后，作為液化天然氣用大型專用海輪或油罐輸送。天然氣的分布也非常偏于中東，美洲和歐洲大陸。

　　可燃冰是最近發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)存在深海低的一種以甲烷的固體形式存在的可燃物。

面臨現(xiàn)狀

　　從探明的儲(chǔ)量分析，現(xiàn)在地球上的石油、天然氣和煤炭的總儲(chǔ)量分別為：

　　石油1萬(wàn)億桶

　　天然氣120萬(wàn)億立方米

　　煤炭1萬(wàn)億噸按照全世界對(duì)化石燃料的消耗速度計(jì)算，這些能源可供人類使用的時(shí)間大約還有：

　　石油45-50年

　　天然氣50-60年

　　煤炭200-220年

　　盡量減少對(duì)不可再生的化石燃料的消耗，在有可能的情況下多使用可再生能源(如太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、生物能、潮汐能)，是我們從現(xiàn)在起要關(guān)心和參與的事情。

石油燃料

　　石油是一種全球使用量最高的化石燃料，耗盡的時(shí)間較其他的較慢?？蓮V泛使用的可再生能源例如肥料發(fā)電、能量高的核能發(fā)電和科學(xué)不斷的進(jìn)步都可減少對(duì)化石燃料的依賴。此外，石油使用量高也因?yàn)樗鞘a(chǎn)品的原材料，用途廣泛。

　　在供給和需求概念原則的建議下，當(dāng)化石燃料的供應(yīng)下降，價(jià)格就會(huì)上升。因此當(dāng)化石燃料價(jià)格高的時(shí)候，能源選擇性會(huì)更多，原先普遍被認(rèn)為不符合經(jīng)濟(jì)效益的可再生能源會(huì)成為較符合經(jīng)濟(jì)效益而開發(fā)的能源之一?，F(xiàn)時(shí)，雖然人工汽油和其他的可再生能源的所需要成本及加工技術(shù)較普通的石油生產(chǎn)為高及復(fù)雜，但在將來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益較普通的石油生產(chǎn)為高。

燃燒常識(shí)

　　在燃燒過(guò)程中，化石燃料中的碳轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸歼M(jìn)入大氣，使大氣中二氧化碳濃度增大。而二氧化碳作為一種溫室氣體具有吸熱和隔熱的功能。它在大氣中增多的結(jié)果是形成一種無(wú)形的玻璃罩，使太陽(yáng)輻射到地球上的熱量無(wú)法向外層空間發(fā)散，其結(jié)果是地球表面變熱起來(lái)，加重了溫室效應(yīng)。自工業(yè)革命以來(lái)，盡管因化石燃料的使用，人類社會(huì)的生產(chǎn)力大大提高，但隨之引起全球氣候變暖等一系列嚴(yán)重問(wèn)題，也逐漸引起全世界各國(guó)的關(guān)注。化石燃料又叫做礦物燃料、礦石燃料。指埋藏地層中的不同地質(zhì)年代的動(dòng)植物遺體經(jīng)歷漫長(zhǎng)地質(zhì)條件的變化，以及溫度、壓力和微生物的作用而形成的一類可燃性礦物。所有的化石燃料都是由碳?xì)浠衔锝M成的，所以燃燒時(shí)會(huì)釋放二氧化碳。人為二氧化碳排放的主要來(lái)源是能源生產(chǎn)和交通運(yùn)輸?shù)幕剂先紵?。由于化石燃料的開采利用規(guī)模十分龐大，從而對(duì)環(huán)境的影響也令人關(guān)注。化石燃料的分類化石燃料可分為氣體燃料（如天然氣）、液體燃料(如石油)、固體燃料（如煤炭、油頁(yè)巖、油砂等）。其中煤炭、石油、天然氣使用的最為廣泛，也是二氧化碳的主要來(lái)源。煤炭煤炭是埋藏在地下的植物受地下和地?zé)岬淖饔?，?jīng)過(guò)幾千萬(wàn)年乃至幾億年的炭化過(guò)程，釋放出水份、二氧化碳、甲烷等氣體后，含氧量減少而形成的。由于地質(zhì)條件和進(jìn)化程度不同，含炭量不同，從而發(fā)熱量也就不同。按發(fā)熱量大小順序分為無(wú)煙煤、煙煤和褐煤等。煤炭在地球上分布較為廣泛，不集中某一產(chǎn)地。煤炭是一種混合物，有機(jī)質(zhì)元素主要是碳，其次是氫，還有氧、氮和硫等。由于含炭量非常豐富，煤炭的燃燒會(huì)排放大量的二氧化碳。比如，據(jù)有關(guān)單位計(jì)算，我國(guó)煤炭燃料排放的二氧化碳量占礦物燃料排放二氧化碳量的八成以上，占中國(guó)溫室氣體總量的一半多，充分說(shuō)明了煤炭燃燒在溫室氣體和二氧化碳排放中的顯著地位。石油石油也叫原油，是水中堆積的微生物殘骸，在高壓的作用下形成的碳?xì)浠衔铩Ｊ褪且环N可燃性粘稠液體，常跟天然氣共存，是很復(fù)雜的混合物。石油經(jīng)過(guò)精制后可得到汽油、煤油、柴油和重油。它石油的性質(zhì)因產(chǎn)地不同而不同，密度、粘度和凝固點(diǎn)的差別很大，例如，凝固點(diǎn)有的高達(dá)30℃，有的低到-66℃。石油里的主要元素是碳，占到了83%～87%，從而造成了二氧化碳的大規(guī)模排放。此外，石油中還含有11%～14%的氫，以及少量的硫(0.06%～8%)、氮(0.02%～1.7%)、氧(0.08%～1.8%)和微量金屬元素(鎳、釩、鐵、銅)等。目前，許多石油開采公司正在使用一種向儲(chǔ)油層注入二氧化碳來(lái)提高采油率的技術(shù)。這種技術(shù)是將收集來(lái)的二氧化碳在壓縮后通過(guò)泵壓方式儲(chǔ)存在廢棄的油田和天然氣氣田、深層地下鹽層水和煤層。二氧化碳與原油混合后，原油的黏性就會(huì)減弱，可以更容易流向地面。這樣，不但減少了二氧化碳的排放，又增加了是石油的產(chǎn)量。天然氣從廣義上講，天然氣指埋藏在地層中自然形成的氣體的總稱。但通常所說(shuō)的天然氣僅指貯藏在地層較深部的可燃性氣體（氣態(tài)的化石燃料）和跟石油共存的氣體（常稱油田伴生氣）。天然氣的主要成分是甲烷。此外，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，還含有不同數(shù)量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷等低碳烷烴以及二氧化碳、氮?dú)?、氫氣、硫化物等非烴類物質(zhì)。有的氣田中還含有氦氣。相對(duì)于煤炭和石油，天然氣是一種潔凈環(huán)保的優(yōu)質(zhì)能源，天然氣燃燒時(shí)產(chǎn)生二氧化碳低60%。采用天然氣作為燃料，可減少煤和石油的用量，因而大大改善環(huán)境污染。此外，由于天然氣幾乎不含硫、粉塵和其他有害物質(zhì)，能減少二氧化硫和粉塵排放量近100%，減少氮氧化合物排放量50%，有助于減少酸雨形成，舒緩地球溫室效應(yīng)。天然氣也是較為安全的燃?xì)庵?，它不含一氧化碳，也比空氣輕，一旦泄漏，立即會(huì)向上擴(kuò)散，不易積聚形成爆炸性氣體，安全性較高。

哈伯特頂點(diǎn)

　　美國(guó)的地質(zhì)學(xué)家哈伯特（KingHubbert）于1953年大膽預(yù)言，美國(guó)石油出產(chǎn)將于1969年左右達(dá)到頂峰，達(dá)到了頂峰之后就會(huì)一直下降。雖然當(dāng)時(shí)許多專家對(duì)他的預(yù)測(cè)提出質(zhì)疑，但是在1970年，他所預(yù)見的情況真的發(fā)生了。從此以后，石油專家把這種情形叫做哈伯特頂點(diǎn)（Hubbert‘speak）。有專家提出，全球?qū)⒂?004年和2015年之間達(dá)到哈伯特頂點(diǎn)，這種情形將導(dǎo)致空前的能源危機(jī)，因?yàn)榭纱媸偷哪茉矗ㄌ貏e是太陽(yáng)能）產(chǎn)電效率不夠高。

環(huán)境影響

　　由于化石燃料是目前世界一次能源的主要部分，其開采、燃燒耗用等方面的數(shù)量都很大，從而對(duì)環(huán)境的影響也令人關(guān)注。

　　開采過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響最典型的是煤炭開采，包括開采對(duì)土地的損害、對(duì)村莊的損害和對(duì)水資源的影響。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，迄今為止平均每開采萬(wàn)噸煤炭塌陷農(nóng)田0.2公頃，平均每年塌陷2萬(wàn)公頃。中國(guó)建筑物下壓煤超過(guò)48億噸，其中村莊下壓煤占2/3。

　　在山東、河北、河南、安徽和江蘇五省平原地區(qū)，壓煤村莊1100個(gè)，居住村民百萬(wàn)以上。開采造成水資源的污染對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響也量大面廣，平均每開采1噸原煤需排放2噸污水更嚴(yán)重的是，在有些地區(qū)，由于水源和江河湖海的嚴(yán)重污染，造成居民用水短缺。

　　化石燃料在利用過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響主要是燃燒時(shí)各種氣體與固體廢物和發(fā)電時(shí)的余熱所造成的污染。化石燃料時(shí)產(chǎn)生的污染物對(duì)環(huán)境的影響主要有兩個(gè)方面。一是全球氣候變化。燃料中的碳轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸歼M(jìn)入大氣，使大氣中二氧化碳的濃度上升，從而導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇，改變了全球的氣候，生態(tài)平衡失衡。二是熱污染?；痣娬景l(fā)電所剩“余熱”被排出到河流、湖泊、大氣或海洋中，在多數(shù)情況下會(huì)引起熱污染。例如，這種廢熱水進(jìn)入水域時(shí)，其溫度比水域的溫度平均要高出7～8℃，使生物要離開該水域。

作用影響

　　世界能夠在持續(xù)使用化石燃料的同時(shí)實(shí)現(xiàn)二氧化碳低排放嗎？一份來(lái)自歐佩克的報(bào)告認(rèn)為這是可以實(shí)現(xiàn)的。

　　至少到本世紀(jì)中葉，化石燃料仍然是世界能源供應(yīng)的主要來(lái)源。歐佩克秘書處《2025年的石油展望》報(bào)告指出，可再生能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)帷F(xiàn)代生物質(zhì)能和水電只占世界發(fā)電量的2%。

　　然而，根據(jù)氣候變化政府間委員會(huì)(IPCC)的報(bào)告，全球超過(guò)一半的碳排放量來(lái)自發(fā)電廠和與能源業(yè)相關(guān)的工業(yè)活動(dòng)。歐佩克報(bào)告給碳的收集存儲(chǔ)(CCS)帶來(lái)了希望。歐佩克報(bào)告描繪了應(yīng)用CCS技術(shù)的大致步驟。

　　首先必須收集二氧化碳，這與能源行業(yè)及工業(yè)活動(dòng)高壓下收集濃縮的二氧化碳?xì)饬鞣浅ｎ愃?。歐佩克報(bào)告定義了收集碳的3種方式：后燃燒系統(tǒng)、預(yù)燃燒系統(tǒng)和加氧燃燒。操作條件決定了收集方式。

　　后燃燒收集碳的技術(shù)同現(xiàn)已大規(guī)模用于天然氣分離二氧化碳的技術(shù)相似。預(yù)燃燒收集碳技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)氫氣。加氧燃燒收集二氧化碳的技術(shù)還處于示范階段。

　　收集的二氧化碳必須運(yùn)到一個(gè)合適的場(chǎng)所存儲(chǔ)。歐佩克認(rèn)為技術(shù)上沒(méi)有問(wèn)題，管線或者船舶就可以運(yùn)送二氧化碳，二氧化碳在30℃、5個(gè)大氣壓條件下就可以保持液態(tài)。

　　為存儲(chǔ)二氧化碳，歐佩克提出了4種方式：一是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成固體無(wú)機(jī)碳酸鹽，二是工業(yè)直接應(yīng)用，或作為多種含碳化學(xué)品的生產(chǎn)原料，三是注入海洋1000米深處以下，四是注入地層。第四種方式得到了最多的關(guān)注，向地層深處注入二氧化碳的技術(shù)在很多方面與油氣工業(yè)已開發(fā)成功的技術(shù)相同，有些技術(shù)從上世紀(jì)80年代末就開始使用了。

　　適宜存儲(chǔ)二氧化碳的地層有3種：不可開采的煤層裂縫、衰竭的油氣層、深鹽水層。歐佩克報(bào)告說(shuō)，鹽水層存儲(chǔ)潛力最大。但在近期，向衰竭或?qū)⒁ソ叩挠蜌鈱幼⑷攵趸紖s成了最有吸引力的選擇，因?yàn)樗鼘CS和提高采收率技術(shù)聯(lián)系了起來(lái)。

　　二氧化碳提高采收率技術(shù)已廣泛導(dǎo)用于美國(guó)二疊紀(jì)盆地、加拿大的韋伯恩油田、挪威的斯雷普納油田和阿爾及利亞中部的薩拉油田。

　　CCS技術(shù)與其他減緩溫室氣體排放技術(shù)的性價(jià)比的關(guān)系，從很大程度上決定了其發(fā)展的前途。歐佩克稱，由于發(fā)電廠和工業(yè)設(shè)施、燃料成本、距離、地區(qū)、二氧化碳運(yùn)輸量、二氧化碳存儲(chǔ)方式等等都存在差異，所以成本變化范圍也非常大。

　　歐佩克斷言，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，CCS技術(shù)未來(lái)的表現(xiàn)和成本存在不確定性。然而，IPCC的CCS技術(shù)報(bào)告顯示，基于現(xiàn)代技術(shù)的新型燃煤電廠和天然氣電廠其減少二氧化碳排放總成本在14美元/噸到91美元/噸之間，對(duì)于減少排放還有不小的潛力。所以，CCS技術(shù)可能代表了未來(lái)大規(guī)模減少排放的一個(gè)經(jīng)濟(jì)可行的方法。

　　歐佩克說(shuō)，CCS技術(shù)可以使世界繼續(xù)依賴化石燃料，同時(shí)減少二氧化碳排放，現(xiàn)在需要的是大型CCS示范項(xiàng)目為將來(lái)鋪平道路。