化石燃料

简介

　　在踏入全球现代化的步伐20世纪至21世纪中，化石燃料（fossilfuel）潜在着能源短缺的危机，特别是从石油提炼出来的汽油，是引致全球石油危机的一个原因。现时，全球正趋向发展可再生能源和核能，这可以帮助增加全球的能源所需。

　　人类不断地燃烧化石燃料而排放二氧化碳（温室气体的主来源之一），是加快全球变暖的因素之一。此外，生物燃料中的二氧化碳成份是来自大气层，因此发展生物燃料可以减少在大气层上的二氧化碳，从而减低温室效应。

　　到目前为止，世界各国所用的燃料几乎都是化石燃料，即石油、天然气和煤。自然界经历几百万年逐渐形成的化石燃料，可能在几百年内全部被人类耗尽。据观察、研究表明，今天在地下已没有煤和石油在形成。石油也叫原油，它是黄色到黑色的可燃性粘稠液体，常跟天然气共存，是很复杂的混合物。石油的性质因产地不同而不同，密度、粘度和凝固点的差别很大，例如，凝固点有的高达30℃，有的低到-66℃。热值从43.7～46.2MJ/kg。石油中各组分的沸点差别也很大，从25℃～500℃以上。石油里的主要元素是碳和氢，分别占83～87%和11～14%。此外还含有少量的硫(0.06～8%)、氮(0.02～1.7%)、氧(0.08～1.8%)以及微量金属元素(镍、钒、铁、铜)等。天然气从广义上讲，指埋藏在地层中自然形成的气体的总称。但通常所指的天然气只指贮藏在地层较深部的可燃性气体(气态的化石燃料)和跟石油共存的气体(常称油田伴生气)。天然气的主要成分是甲烷。此外，根据不同的地质条件，还含有不同数量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷等低碳烷烃以及二氧化碳、氮气、氢气、硫化物等非烃类物质。有的气田中还含有氦气。甲烷含量高的天然气叫干气，两个或两个以上碳原子烷烃含量较高的天然气称为湿气。我国四川自贡盛产天然气。煤也叫煤炭，它是埋藏在地下的固态可燃性矿物。煤是一种混合物，没有单一的分子结构，经过科学家长期研究，已经有煤结构的普通型式介绍。煤的结构里有大量的碳原子环，一些环相互稠合，另一些环键合成长链。比较常见的有W．H．怀泽的烟煤结构模型，但都还没有能揭示煤的实质结构。煤中有机质元素主要是碳，其次是氢，还有氧、氮和硫等元素。

种类划分

　　化石燃料是指煤炭、石油、天然气等这些埋藏在地下和海洋下的不能再生的燃料资源。化石燃料中按埋藏的能量的数量的顺序分有煤炭类、石油、油页岩、天燃气、油砂以及海下的可燃冰等。

　　煤炭是埋藏在地下的植物受地下和地热的作用，经过几千万年乃至几亿年的炭化过程，释放出水份、二氧化碳、甲烷等气体后，含氧量减少而形成的，含炭量非常丰富。由于地质条件和进化程度不同，含炭量不同，从而发热量也就不同。按发热量大小顺序分为无烟煤、烟煤和褐煤等。煤炭在地球上分布较为广泛，不集中某一产地。

　　石油是水中堆积的微生物残骸，在高压的作用下形成的碳氢化合物。石油经过精制后可得到汽油、煤油、柴油和重油。石油在地球上分布不均，中东占54%，北美占12%，南美占9%，几乎占了可确认埋藏量的3/4。

　　油页岩是水藻炭化后形成的，含灰分过多，多半不能自烯。油砂是含重质油4～20%的砂子。油页岩和油砂在美洲大陆偏多。

　　天然气直接采掘于地下，含甲烷为主。在摄氏零下162度被冷却，液化后，作为液化天然气用大型专用海轮或油罐输送。天然气的分布也非常偏于中东，美洲和欧洲大陆。

　　可燃冰是最近发现的储存在深海低的一种以甲烷的固体形式存在的可燃物。

面临现状

　　从探明的储量分析，现在地球上的石油、天然气和煤炭的总储量分别为：

　　石油1万亿桶

　　天然气120万亿立方米

　　煤炭1万亿吨按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：

　　石油45-50年

　　天然气50-60年

　　煤炭200-220年

　　尽量减少对不可再生的化石燃料的消耗，在有可能的情况下多使用可再生能源(如太阳能、风能、水能、生物能、潮汐能)，是我们从现在起要关心和参与的事情。

石油燃料

　　石油是一种全球使用量最高的化石燃料，耗尽的时间较其他的较慢。可广泛使用的可再生能源例如肥料发电、能量高的核能发电和科学不断的进步都可减少对化石燃料的依赖。此外，石油使用量高也因为它是石化产品的原材料，用途广泛。

　　在供给和需求概念原则的建议下，当化石燃料的供应下降，价格就会上升。因此当化石燃料价格高的时候，能源选择性会更多，原先普遍被认为不符合经济效益的可再生能源会成为较符合经济效益而开发的能源之一。现时，虽然人工汽油和其他的可再生能源的所需要成本及加工技术较普通的石油生产为高及复杂，但在将来的经济效益较普通的石油生产为高。

燃烧常识

　　在燃烧过程中，化石燃料中的碳转变为二氧化碳进入大气，使大气中二氧化碳浓度增大。而二氧化碳作为一种温室气体具有吸热和隔热的功能。它在大气中增多的结果是形成一种无形的玻璃罩，使太阳辐射到地球上的热量无法向外层空间发散，其结果是地球表面变热起来，加重了温室效应。自工业革命以来，尽管因化石燃料的使用，人类社会的生产力大大提高，但随之引起全球气候变暖等一系列严重问题，也逐渐引起全世界各国的关注。化石燃料又叫做矿物燃料、矿石燃料。指埋藏地层中的不同地质年代的动植物遗体经历漫长地质条件的变化，以及温度、压力和微生物的作用而形成的一类可燃性矿物。所有的化石燃料都是由碳氢化合物组成的，所以燃烧时会释放二氧化碳。人为二氧化碳排放的主要来源是能源生产和交通运输的化石燃料燃烧。由于化石燃料的开采利用规模十分庞大，从而对环境的影响也令人关注。化石燃料的分类化石燃料可分为气体燃料（如天然气）、液体燃料(如石油)、固体燃料（如煤炭、油页岩、油砂等）。其中煤炭、石油、天然气使用的最为广泛，也是二氧化碳的主要来源。煤炭煤炭是埋藏在地下的植物受地下和地热的作用，经过几千万年乃至几亿年的炭化过程，释放出水份、二氧化碳、甲烷等气体后，含氧量减少而形成的。由于地质条件和进化程度不同，含炭量不同，从而发热量也就不同。按发热量大小顺序分为无烟煤、烟煤和褐煤等。煤炭在地球上分布较为广泛，不集中某一产地。煤炭是一种混合物，有机质元素主要是碳，其次是氢，还有氧、氮和硫等。由于含炭量非常丰富，煤炭的燃烧会排放大量的二氧化碳。比如，据有关单位计算，我国煤炭燃料排放的二氧化碳量占矿物燃料排放二氧化碳量的八成以上，占中国温室气体总量的一半多，充分说明了煤炭燃烧在温室气体和二氧化碳排放中的显著地位。石油石油也叫原油，是水中堆积的微生物残骸，在高压的作用下形成的碳氢化合物。石油是一种可燃性粘稠液体，常跟天然气共存，是很复杂的混合物。石油经过精制后可得到汽油、煤油、柴油和重油。它石油的性质因产地不同而不同，密度、粘度和凝固点的差别很大，例如，凝固点有的高达30℃，有的低到-66℃。石油里的主要元素是碳，占到了83%～87%，从而造成了二氧化碳的大规模排放。此外，石油中还含有11%～14%的氢，以及少量的硫(0.06%～8%)、氮(0.02%～1.7%)、氧(0.08%～1.8%)和微量金属元素(镍、钒、铁、铜)等。目前，许多石油开采公司正在使用一种向储油层注入二氧化碳来提高采油率的技术。这种技术是将收集来的二氧化碳在压缩后通过泵压方式储存在废弃的油田和天然气气田、深层地下盐层水和煤层。二氧化碳与原油混合后，原油的黏性就会减弱，可以更容易流向地面。这样，不但减少了二氧化碳的排放，又增加了是石油的产量。天然气从广义上讲，天然气指埋藏在地层中自然形成的气体的总称。但通常所说的天然气仅指贮藏在地层较深部的可燃性气体（气态的化石燃料）和跟石油共存的气体（常称油田伴生气）。天然气的主要成分是甲烷。此外，根据不同的地质条件，还含有不同数量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷等低碳烷烃以及二氧化碳、氮气、氢气、硫化物等非烃类物质。有的气田中还含有氦气。相对于煤炭和石油，天然气是一种洁净环保的优质能源，天然气燃烧时产生二氧化碳低60%。采用天然气作为燃料，可减少煤和石油的用量，因而大大改善环境污染。此外，由于天然气几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，能减少二氧化硫和粉尘排放量近100%，减少氮氧化合物排放量50%，有助于减少酸雨形成，舒缓地球温室效应。天然气也是较为安全的燃气之一，它不含一氧化碳，也比空气轻，一旦泄漏，立即会向上扩散，不易积聚形成爆炸性气体，安全性较高。

哈伯特顶点

　　美国的地质学家哈伯特（KingHubbert）于1953年大胆预言，美国石油出产将于1969年左右达到顶峰，达到了顶峰之后就会一直下降。虽然当时许多专家对他的预测提出质疑，但是在1970年，他所预见的情况真的发生了。从此以后，石油专家把这种情形叫做哈伯特顶点（Hubbert‘speak）。有专家提出，全球将于2004年和2015年之间达到哈伯特顶点，这种情形将导致空前的能源危机，因为可代替石油的能源（特别是太阳能）产电效率不够高。

环境影响

　　由于化石燃料是目前世界一次能源的主要部分，其开采、燃烧耗用等方面的数量都很大，从而对环境的影响也令人关注。

　　开采过程对环境的影响最典型的是煤炭开采，包括开采对土地的损害、对村庄的损害和对水资源的影响。据不完全统计，迄今为止平均每开采万吨煤炭塌陷农田0.2公顷，平均每年塌陷2万公顷。中国建筑物下压煤超过48亿吨，其中村庄下压煤占2/3。

　　在山东、河北、河南、安徽和江苏五省平原地区，压煤村庄1100个，居住村民百万以上。开采造成水资源的污染对生态环境的影响也量大面广，平均每开采1吨原煤需排放2吨污水更严重的是，在有些地区，由于水源和江河湖海的严重污染，造成居民用水短缺。

　　化石燃料在利用过程中对环境的影响主要是燃烧时各种气体与固体废物和发电时的余热所造成的污染。化石燃料时产生的污染物对环境的影响主要有两个方面。一是全球气候变化。燃料中的碳转变为二氧化碳进入大气，使大气中二氧化碳的浓度上升，从而导致温室效应加剧，改变了全球的气候，生态平衡失衡。二是热污染。火电站发电所剩“余热”被排出到河流、湖泊、大气或海洋中，在多数情况下会引起热污染。例如，这种废热水进入水域时，其温度比水域的温度平均要高出7～8℃，使生物要离开该水域。

作用影响

　　世界能够在持续使用化石燃料的同时实现二氧化碳低排放吗？一份来自欧佩克的报告认为这是可以实现的。

　　至少到本世纪中叶，化石燃料仍然是世界能源供应的主要来源。欧佩克秘书处《2025年的石油展望》报告指出，可再生能源如风能、太阳能、地热、现代生物质能和水电只占世界发电量的2%。

　　然而，根据气候变化政府间委员会(IPCC)的报告，全球超过一半的碳排放量来自发电厂和与能源业相关的工业活动。欧佩克报告给碳的收集存储(CCS)带来了希望。欧佩克报告描绘了应用CCS技术的大致步骤。

　　首先必须收集二氧化碳，这与能源行业及工业活动高压下收集浓缩的二氧化碳气流非常类似。欧佩克报告定义了收集碳的3种方式：后燃烧系统、预燃烧系统和加氧燃烧。操作条件决定了收集方式。

　　后燃烧收集碳的技术同现已大规模用于天然气分离二氧化碳的技术相似。预燃烧收集碳技术现在已经大规模应用于生产氢气。加氧燃烧收集二氧化碳的技术还处于示范阶段。

　　收集的二氧化碳必须运到一个合适的场所存储。欧佩克认为技术上没有问题，管线或者船舶就可以运送二氧化碳，二氧化碳在30℃、5个大气压条件下就可以保持液态。

　　为存储二氧化碳，欧佩克提出了4种方式：一是通过化学反应转化成固体无机碳酸盐，二是工业直接应用，或作为多种含碳化学品的生产原料，三是注入海洋1000米深处以下，四是注入地层。第四种方式得到了最多的关注，向地层深处注入二氧化碳的技术在很多方面与油气工业已开发成功的技术相同，有些技术从上世纪80年代末就开始使用了。

　　适宜存储二氧化碳的地层有3种：不可开采的煤层裂缝、衰竭的油气层、深盐水层。欧佩克报告说，盐水层存储潜力最大。但在近期，向衰竭或将要衰竭的油气层注入二氧化碳却成了最有吸引力的选择，因为它将CCS和提高采收率技术联系了起来。

　　二氧化碳提高采收率技术已广泛导用于美国二叠纪盆地、加拿大的韦伯恩油田、挪威的斯雷普纳油田和阿尔及利亚中部的萨拉油田。

　　CCS技术与其他减缓温室气体排放技术的性价比的关系，从很大程度上决定了其发展的前途。欧佩克称，由于发电厂和工业设施、燃料成本、距离、地区、二氧化碳运输量、二氧化碳存储方式等等都存在差异，所以成本变化范围也非常大。

　　欧佩克断言，由于缺乏经验，CCS技术未来的表现和成本存在不确定性。然而，IPCC的CCS技术报告显示，基于现代技术的新型燃煤电厂和天然气电厂其减少二氧化碳排放总成本在14美元/吨到91美元/吨之间，对于减少排放还有不小的潜力。所以，CCS技术可能代表了未来大规模减少排放的一个经济可行的方法。

　　欧佩克说，CCS技术可以使世界继续依赖化石燃料，同时减少二氧化碳排放，现在需要的是大型CCS示范项目为将来铺平道路。