化石燃料

簡介

　　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的汽油，是引致全球石油危機(jī)的一個原因。現(xiàn)時，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，兩個或兩個以上碳原子烷烴含量較高的天然氣稱為濕氣。我國四川自貢盛產(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，沒有單一的分子結(jié)構(gòu)，經(jīng)過科學(xué)家長期研究，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)鍵合成長鏈。比較常見的有W．H．懷澤的煙煤結(jié)構(gòu)模型，但都還沒有能揭示煤的實(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、油頁巖、天燃?xì)?、油砂以及海下?span id="i7l2vly" 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)過幾千萬年乃至幾億年的炭化過程，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?。石油?jīng)過精制后可得到汽油、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。

　　油頁巖是水藻炭化后形成的，含灰分過多，多半不能自烯。油砂是含重質(zhì)油4～20%的砂子。油頁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

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

　　石油1萬億桶

　　天然氣120萬億立方米

　　煤炭1萬億噸按照全世界對化石燃料的消耗速度計(jì)算，這些能源可供人類使用的時間大約還有：

　　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，耗盡的時間較其他的較慢。可廣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)格就會上升。因此當(dāng)化石燃料價(jià)格高的時候，能源選擇性會更多，原先普遍被認(rèn)為不符合經(jīng)濟(jì)效益的可再生能源會成為較符合經(jīng)濟(jì)效益而開發(fā)的能源之一?，F(xiàn)時，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，但在將來的經(jīng)濟(jì)效益較普通的石油生產(chǎn)為高。

燃燒常識

　　在燃燒過程中，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)果是形成一種無形的玻璃罩，使太陽輻射到地球上的熱量無法向外層空間發(fā)散，其結(jié)果是地球表面變熱起來，加重了溫室效應(yīng)。自工業(yè)革命以來，盡管因化石燃料的使用，人類社會的生產(chǎn)力大大提高，但隨之引起全球氣候變暖等一系列嚴(yán)重問題，也逐漸引起全世界各國的關(guān)注?；剂嫌纸凶龅V物燃料、礦石燃料。指埋藏地層中的不同地質(zhì)年代的動植物遺體經(jīng)歷漫長地質(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，所以燃燒時會釋放二氧化碳。人為二氧化碳排放的主要來源是能源生產(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，從而對環(huán)境的影響也令人關(guān)注?；剂系姆诸惢剂峡煞譃闅怏w燃料（如天然氣）、液體燃料(如石油)、固體燃料（如煤炭、油頁巖、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源。煤炭煤炭是埋藏在地下的植物受地下和地?zé)岬淖饔茫?jīng)過幾千萬年乃至幾億年的炭化過程，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，煤炭的燃燒會排放大量的二氧化碳。比如，據(jù)有關(guān)單位計(jì)算，我國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，占中國溫室氣體總量的一半多，充分說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?。石油是一種可燃性粘稠液體，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油層注入二氧化碳來提高采油率的技術(shù)。這種技術(shù)是將收集來的二氧化碳在壓縮后通過泵壓方式儲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)狻錃?、硫化物等非烴類物質(zhì)。有的氣田中還含有氦氣。相對于煤炭和石油，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唬缓谎趸?，也比空氣輕，一旦泄漏，立即會向上擴(kuò)散，不易積聚形成爆炸性氣體，安全性較高。

哈伯特頂點(diǎn)

　　美國的地質(zhì)學(xué)家哈伯特（KingHubbert）于1953年大膽預(yù)言，美國石油出產(chǎn)將于1969年左右達(dá)到頂峰，達(dá)到了頂峰之后就會一直下降。雖然當(dāng)時許多專家對他的預(yù)測提出質(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，從而對環(huán)境的影響也令人關(guān)注。

　　開采過程對環(huán)境的影響最典型的是煤炭開采，包括開采對土地的損害、對村莊的損害和對水資源的影響。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，迄今為止平均每開采萬噸煤炭塌陷農(nóng)田0.2公頃，平均每年塌陷2萬公頃。中國建筑物下壓煤超過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，居住村民百萬以上。開采造成水資源的污染對生態(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。

　　化石燃料在利用過程中對環(huán)境的影響主要是燃燒時各種氣體與固體廢物和發(fā)電時的余熱所造成的污染。化石燃料時產(chǎn)生的污染物對環(huán)境的影響主要有兩個方面。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。火電站發(fā)電所剩“余熱”被排出到河流、湖泊、大氣或海洋中，在多數(shù)情況下會引起熱污染。例如，這種廢熱水進(jìn)入水域時，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實(shí)現(xiàn)二氧化碳低排放嗎？一份來自歐佩克的報(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、太陽能、地?zé)?、現(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(IPCC)的報(bào)告，全球超過一半的碳排放量來自發(fā)電廠和與能源業(yè)相關(guān)的工業(yè)活動。歐佩克報(bào)告給碳的收集存儲(CCS)帶來了希望。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)活動高壓下收集濃縮的二氧化碳?xì)饬鞣浅ｎ愃啤W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)到一個合適的場所存儲。歐佩克認(rèn)為技術(shù)上沒有問題，管線或者船舶就可以運(yùn)送二氧化碳，二氧化碳在30℃、5個大氣壓條件下就可以保持液態(tài)。

　　為存儲二氧化碳，歐佩克提出了4種方式：一是通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成固體無機(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，鹽水層存儲潛力最大。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。

　　二氧化碳提高采收率技術(shù)已廣泛導(dǎo)用于美國二疊紀(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)可能代表了未來大規(guī)模減少排放的一個經(jīng)濟(jì)可行的方法。

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