第三章化石燃料

1、第 三 章 化 石 燃 料,3-1　化石燃料資源3-2　煤3-3　石油3-4 天然氣3-5 頁(yè)巖油與油砂,係因遠(yuǎn)古時(shí)代動(dòng)、植物死亡後演變而來(lái)其種類包含了煤、石油、天然氣、少量的頁(yè)巖油及油砂，直到今日，化石燃料仍佔(zhàn)商業(yè)上能源資源的90% 左右，其重要性可見一般。,3-1　化石燃料資源,化石燃料,根據(jù)2005年世界初級(jí)能源推估，至2004年底全球石油蘊(yùn)藏量約可維持40.6年使用量、天然氣約66.7年、鈾礦約50年

2、(2003年資料)、而煤則可維持332.7年。因此，除了煤以外，石油及天然氣等化石燃料及鈾礦在未來(lái)數(shù)十年內(nèi)將逐漸面臨耗竭的窘境。,3-1　化石燃料資源,初級(jí)能源蘊(yùn)藏量,蘊(yùn)藏量係指已被發(fā)現(xiàn)且可利用當(dāng)今技術(shù)開採(cǎi)而獲利的物質(zhì)或能源,資源乃包括以當(dāng)今科技、當(dāng)今價(jià)格應(yīng)可開採(cǎi)但仍未發(fā)現(xiàn)的其他原料之估計(jì)量，以及將藉未來(lái)科技、可能較高的未來(lái)價(jià)格開採(cǎi)的已發(fā)現(xiàn)與待發(fā)現(xiàn)的物資,3-1　化石燃料資源,蘊(yùn)藏量和資源,剛開始發(fā)現(xiàn)新能源時(shí)，由於價(jià)廉及開採(cǎi)容易，因此燃

3、料的產(chǎn)出以指數(shù)形式成長(zhǎng)。但當(dāng)燃料的使用達(dá)最大值後，由於價(jià)格的上升、替代燃料的成長(zhǎng)及開採(cǎi)困難度增加等因素，致使該燃料的產(chǎn)量逐漸下滑。,3-1　化石燃料資源,鐘形生產(chǎn)曲線,3-1　化石燃料資源,美國(guó)天然氣產(chǎn)出及鐘形生產(chǎn)曲線分佈情形,3-2　煤,煤的生成,煤的產(chǎn)生，起源於3.5億年前地球上大量的植物生成。遠(yuǎn)古時(shí)代巨大沼澤區(qū)上長(zhǎng)滿了各種植物如蕨類、灌木類、藤類、樹木及藻類等，當(dāng)這些植物長(zhǎng)大後又傾倒在沼澤上時(shí)，有機(jī)物質(zhì)中的煤元素乃逐漸累積於沼澤底

4、部。剛開始時(shí)，死亡的植物經(jīng)歷了好氧反應(yīng) (aerobic reaction) 而產(chǎn)生二氧化碳、甲烷及其他氣體。之後，由於深埋地下而未暴露空氣中，續(xù)而進(jìn)行厭氧反應(yīng) (anaerobic reaction)。換言之，煤的形成是由於大量的有機(jī)物質(zhì)緩慢分解及化學(xué)轉(zhuǎn)換的結(jié)果。,3-2　煤,煤的基本特性,元素分析：包含C、H、O、N及S等五元素百分比例之定量分析 。近似分析；包含了水分 (moisture)、揮發(fā)分 (volatile matte

5、r)、灰分 (ash) 及固定碳 (fixed carbon) 之分析 。另一重要的基本分析為熱值 (heating value) 測(cè)量，藉由熱卡計(jì)以得知該燃料單位質(zhì)量反應(yīng)後釋放之熱量；其又分成高位發(fā)熱值 (higher heating value, HHV) 與低位發(fā)熱值 (lower heating value, LHV)。HHV與LHV的差異在於，當(dāng)燃料反應(yīng)後的水分最終狀態(tài)為液態(tài)，則釋放之熱量為HHV；反之若水分最終狀態(tài)為氣態(tài)，

6、則為L(zhǎng)HV。,煤形成過(guò)程第一階段轉(zhuǎn)變成泥煤，但泥煤並不包含於煤炭的分類中，其水分可達(dá)70%，而熱值則僅約3,000 Btu/lb。褐煤:水分含量約30%，含碳量 ( 固定碳 ) 達(dá)30%，而熱值介於5,000到7,000 Btu/lb之間。揮發(fā)物含量高及反應(yīng)性佳則是其優(yōu)點(diǎn)。亞煙煤:亞煙煤的水分為15~30%，含碳量約40%，而熱值則為8,000到10,000 Btu/lb之間。亞煙煤易自燃、揮發(fā)性高、具結(jié)塊性、且硫份及灰份少。煙煤

7、:是最豐富的煤種，碳含量則約50~70%。煙煤的熱質(zhì)介於11,000到15,000 But/lb之間。無(wú)煙煤:碳含量約90% 左右，最高可達(dá)95%，而水分則僅約3%左右，且硫份及灰份也低。無(wú)煙煤為最硬之煤，熱質(zhì)約14,000 Btu/lb。,3-2　煤,煤的分類,3-2　煤,全球煤炭蘊(yùn)藏量之估計(jì)值,3-2　煤,煤的分類,3-2　煤,美國(guó)ASTM分類表,,3-2　煤,,煤炭等級(jí)與用途,煤的利用,1. 燃燒 燃燒為將煤置於高溫環(huán)境中

8、，在充足氧化劑的條件下把煤炭破壞而轉(zhuǎn)化成二氧化碳及水，此過(guò)程將釋放出大量的熱量以利能源利用。2. 氣化 在高溫及不充分氧化劑環(huán)境下，使煤炭與空氣(或氧) 進(jìn)行不完全或部份燃燒，甚至通入水蒸氣反應(yīng)以產(chǎn)生富燃料氣體，產(chǎn)氣主要包含了一氧化碳、氫氣與部份甲烷 ，前兩者即俗稱之合成氣。除了上述氣體外，氣化之產(chǎn)物尚包括了焦油及硫化物(如H2S、COS及CS2)等。,3-2　煤,燃燒反應(yīng),煤的利用,3. 液化 液化乃是高溫及高壓的環(huán)

9、境中將固態(tài)煤炭轉(zhuǎn)變類似原油的液體產(chǎn)物的方法。而產(chǎn)生的液態(tài)燃料經(jīng)由蒸餾後，即可得到汽油及煤油等。,3-2　煤,氣化反應(yīng),Water-gas reaction,Shift reaction,3-2　煤,臺(tái)灣煤炭進(jìn)口地區(qū)分布圖,石油的生成 石油是由有機(jī)物質(zhì)在古地質(zhì)年代沉積而成。據(jù)推測(cè)，約在數(shù)億年前，大量的浮游生物及動(dòng)植物 ( 如藍(lán)、綠海藻類等單細(xì)胞植物及有孔蟲類等單細(xì)胞動(dòng)物 ) 死亡後，其殘骸堆積在海底下逐漸形成沈積物。由於沈積物的重量，

10、使得該地區(qū)持續(xù)下陷，進(jìn)而形成沈積盆地。這些埋藏在沈積盆地內(nèi)的動(dòng)植物殘骸，在缺氧環(huán)境下經(jīng)細(xì)菌作用將碳水化合物中的氧逐漸消耗掉，再隨著埋藏深度的增加，溫度與壓力也相對(duì)提高，經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年後，有機(jī)物逐漸受熱裂解出油氣。,3-3　石油,沈積盆地形成後，長(zhǎng)期受無(wú)數(shù)次的地殼運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生各種不同的地質(zhì)構(gòu)造。一個(gè)良好的儲(chǔ)存油氣的封閉構(gòu)造，除應(yīng)具有良好的孔隙率及滲透率的儲(chǔ)油層外，此儲(chǔ)油層的上方必須有緻密不透油、氣、水的巖層，如頁(yè)巖、泥巖等，即所謂的蓋層，其

11、作用為封蓋住進(jìn)來(lái)的油氣，不讓油氣向上逃逸。一般常見的儲(chǔ)油氣封閉構(gòu)造依其型態(tài)可分為「構(gòu)造封閉」 (如背斜及斷層等)、「地層封閉」及「聯(lián)合封閉」。目前大多數(shù)的油氣田都在構(gòu)造封閉內(nèi)發(fā)現(xiàn)，因其最易發(fā)現(xiàn)，未來(lái)探勘的目標(biāo)將指向地層封閉及聯(lián)合封閉。,3-3　石油,石油的探勘 常用的方法有「地質(zhì)調(diào)查」、「地球物理測(cè)勘」及「地球化學(xué)測(cè)勘」等方法。地球物理測(cè)勘是應(yīng)用物理學(xué)原理和方法，測(cè)定巖石的物理性質(zhì)變化，一般分為「重力測(cè)勘」及「震波測(cè)勘」。目前最

12、常用也較精確的一種方法是震波測(cè)勘，其乃利用地下各種巖層具有不同之彈性與密度，震波傳導(dǎo)的速度因而有快慢之別，且能產(chǎn)生反射現(xiàn)象，由其震波傳遞回來(lái)的時(shí)間可推算巖層之深度及厚度，從而測(cè)繪出各地層的地下地質(zhì)構(gòu)造。地球化學(xué)測(cè)勘是藉生油巖評(píng)估及生油巖與油氣對(duì)比，推測(cè)生油的沈積層位及油氣移棲之途徑，以確定最有利的鑽探地點(diǎn)。當(dāng)然，地面上的勘查僅能指出利於石油積聚於地下巖層的條件，目前唯一能確認(rèn)油氣儲(chǔ)存仍需仰賴鑽井 。,3-3　石油,全球石油蘊(yùn)藏量之估計(jì)值

13、,3-3　石油,石油開採(cǎi),3-3　石油,石油開採(cǎi),3-3　石油,依開採(cǎi)的程度分成:一級(jí)或初級(jí)開採(cǎi) (primary recovery)、二級(jí)開採(cǎi)(secondary recovery)及三級(jí)開採(cǎi)(tertiary recovery)。,石油開採(cǎi),3-3　石油,初級(jí)開採(cǎi)：油井開採(cǎi)之初，有些油井使石油自然地噴出，稱之為自噴油井 (gusher)。之後，為了保持或增加油的流出，乃需使用泵(pump)造成井的頂部形成局部真空而抽出油。初始

14、開採(cǎi)可吸出地下油田15% 左右的石油。二級(jí)開採(cǎi)：乃注入水使地下油田增壓而吸出石油，此時(shí)約可再抽出20% 左右的石油，仍有約三分之二的石油儲(chǔ)存於地下。三級(jí)開採(cǎi)：又稱為「加強(qiáng)石油開採(cǎi)」，可送入蒸汽到地底下再增加地下原油的抽出量。另一種方法是使用二氧化碳或氮?dú)?，將氣體灌入油田中，藉由壓力的增加使石油跑出巖石外。第三種方法則是使用化學(xué)藥品如高分子取代氣體以強(qiáng)制石油離開油田。三級(jí)開採(cǎi)約可再抽出油田中原有石油儲(chǔ)量的10% 到20% 左右。,分餾

15、的操作原理為將原油打入加熱爐內(nèi)，按不同的原油種類和產(chǎn)品加熱到400℃左右，蒸氣和未蒸發(fā)的油進(jìn)入分餾塔，分餾塔為圓柱形，內(nèi)有數(shù)十塊塔板。油氣上升到塔頂，被水冷式冷凝氣所冷凝。部分被冷凝的液體作為回流被送到塔頂，從一塔板下流到另一塔板，與上升的氣體相接觸，液體吸收氣體中的重組分而釋放出輕組分，最終達(dá)到平衡，此時(shí)最輕的組分處在塔頂?shù)乃迳?，最重的組分則處在最低的塔板上。,3-3　石油,石油分餾,3-3　石油,石油分餾,原油經(jīng)分餾後，僅能獲得2

16、0到25%的汽油，其數(shù)量不僅未能應(yīng)付急速發(fā)展的交通事業(yè)需要，其辛烷值亦漸不能滿足高壓縮比引擎之要求。自第一次世界大戰(zhàn)後，由於石油熱裂煉科技的突破，從此成分複雜的石油可以透過(guò)此項(xiàng)技術(shù)提高原油之汽油產(chǎn)率，同時(shí)也衍生出千百種用途的石化原料。熱裂解係在高溫及高壓的條件下，將石油中長(zhǎng)鏈分子分裂為短鏈分子以得到產(chǎn)品，例如從煤油和重餾分油生產(chǎn)汽油?！　§?930年代和第二次世界大戰(zhàn)期間，由於觸媒的引進(jìn)，使產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量得到進(jìn)一步的改進(jìn)和提高?，F(xiàn)在

17、重餾分油的觸媒裂煉是生產(chǎn)石油的最重要過(guò)程之一，使用觸媒催化反應(yīng)可以在比熱裂煉緩和得多的條件下，得到更高的產(chǎn)率和質(zhì)量，常用之觸媒為矽鋁混合物或分子篩催化劑。觸媒裂煉可用固定床、移動(dòng)床或流體化床。,3-3　石油,石油蒸餾後產(chǎn)物,3-3　石油,烷類碳?xì)浠衔铮–nH2n+2）之主要用途,3-3　石油,臺(tái)灣原油進(jìn)口地區(qū)分布圖,3-3　石油,3-3　石油,天然氣天然氣生成過(guò)程和石油一樣，也是由於原始物質(zhì)經(jīng)過(guò)連續(xù)的變質(zhì)階段，隨後被積聚和捕集於氣

18、層中。它的大部份組分來(lái)自沉積巖中的有積物質(zhì)，其他組分則來(lái)自純無(wú)機(jī)物質(zhì)，主要成份為甲烷。天然氣依其原始蘊(yùn)藏狀態(tài)，可分為「構(gòu)造性天然氣」、「水溶性天然氣」、「煤礦天然氣」等三種，而構(gòu)造性天然氣又可分為「伴生氣」與「非伴生氣」兩種。若天然氣的產(chǎn)生是在礦區(qū)開採(cǎi)原油時(shí)伴隨而出，則稱為伴生氣。反之，如果一儲(chǔ)區(qū)中僅有天然氣產(chǎn)出而無(wú)原油，則稱為非伴生氣。前者乃屬於溼性天然氣，而後者則屬於乾性天然氣。,3-4　天然氣,3-4　天然氣,全球主要天然氣蘊(yùn)藏量

19、之估計(jì)值,從氣井出來(lái)的天然氣一般不能直接應(yīng)用，其除含有極高的甲烷含量外，並有較重的烴類，此外，還含有比例不固定的氮類、二氧化碳、硫化烴、硫醇和其他硫化物。因此，氣體需要進(jìn)行加工使其符合使用標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)可回收比氣體本身價(jià)值更高的液體或固體組分。氣體之加工處理步驟為：(1) 在操作壓力下膨脹以產(chǎn)生冷凝液，除去冷凝液的氣體並用乙二醇脫水；(2) 用二乙醇胺除硫化烴和二氧化碳；(3) 用鹼去除硫醇；(4) 用冷卻或油吸收方法抽提出比甲烷鏈更長(zhǎng)的烴

20、類。,3-4　天然氣,天然氣的運(yùn)輸方式取決於其型態(tài)，氣態(tài)可在高壓下用管道運(yùn)輸，而液態(tài)則可用船運(yùn)輸。由於產(chǎn)出之天然氣為氣態(tài)，在某些情況下並不利於儲(chǔ)存及運(yùn)送，工業(yè)上常把礦區(qū)出產(chǎn)的天然氣冷凍至零下1620C，使其成為一種無(wú)色、無(wú)臭的液體，體積也縮減為氣態(tài)時(shí)的六百分之一左右，以便於儲(chǔ)存及越洋運(yùn)送，此液態(tài)的天然氣即稱為「液化天然氣(liquefied natural gas, LNG) 」。天然氣液化後，為維持其低溫狀態(tài)，必須用專門設(shè)計(jì)、具特殊冷

21、凍功能的油輪運(yùn)送到買方接收站，並經(jīng)由卸料臂送到低溫儲(chǔ)槽儲(chǔ)存。使用時(shí)，藉由海水汽化裝置，可將液態(tài)天然氣復(fù)原為常溫氣態(tài)，然後經(jīng)由長(zhǎng)途輸送管線，將天然氣輸送到發(fā)電廠、工廠及家庭用戶使用。,3-4　天然氣,天然氣的運(yùn)輸,3-4　天然氣,3-4　天然氣,臺(tái)灣液化天然氣進(jìn)口地區(qū)分布圖,3-4　天然氣,燃燒煤炭、石油及天然氣所產(chǎn)生溫室氣體及主要污染物比較 (lb/106 Btu),3-4　天然氣,巖頁(yè)油為自油頁(yè)巖中提煉出的油品。油頁(yè)巖為暗色細(xì)粒的老沉

22、積巖，富有固態(tài)的有機(jī)物或碳?xì)浠衔锓Q為油母質(zhì)，經(jīng)過(guò)處理之後可產(chǎn)生類似石油類的原油。油頁(yè)巖乃數(shù)百萬(wàn)年前古代植物及水生動(dòng)物遺體及各種礦物一起堆積於湖泊或淺海底部，之後石油湖泊環(huán)境的沉積受到時(shí)間、壓力、溫度等種種因素的影響，而把這些沉積物轉(zhuǎn)變成含有碳?xì)浠衔锏膸r石。,3-5　頁(yè)巖油與油砂,巖頁(yè)油(Shale Oil),3-5　頁(yè)巖油與油砂,巖頁(yè)油(Shale Oil),3-5　頁(yè)巖油與油砂,目前已知全球油頁(yè)巖的資源極為豐富，相當(dāng)於約5兆桶

23、的原油。在此數(shù)量中，美國(guó)的格林河層粗估有0.6到2兆桶的蘊(yùn)藏量，比美國(guó)原油的蘊(yùn)藏量還豐富。格林河層面積達(dá)44,000平方公里，跨越了科羅拉多州 (Colorado)、猶他州 (Utah) 及懷俄明州 (Wyoming) 並涵蓋四個(gè)主要盆地。,一般而言，1公噸油頁(yè)巖中含原油量約在1桶 ( 即159公升 ) 左右，以目前的技術(shù)可回收其中近九成，若每公噸產(chǎn)量在40公升以下，通常就不能稱為油頁(yè)巖。頁(yè)巖油的提煉過(guò)程為相當(dāng)簡(jiǎn)單，油頁(yè)巖採(cǎi)出後先將

24、其壓碎 (crush)，而後再加熱至330至4800C之間，以釋放出油頁(yè)巖內(nèi)的油母質(zhì)成份使成為碳?xì)浠衔锏恼魵?，而殘餘物質(zhì)則是類似焦炭的固體，此一過(guò)程稱為蒸餾 (retorting)，之後將蒸氣冷卻就可得到油和氣。,3-5　頁(yè)巖油與油砂,頁(yè)巖油的提煉,開採(cǎi)過(guò)程，由於油頁(yè)巖深埋在地底下，為得到油頁(yè)巖必須先去除礦場(chǎng)的覆蓋層，此即為一花費(fèi)昂貴的程序。 能源密度較低，其能源密度和煤比較約只有煤能源密度的八分之一。當(dāng)油頁(yè)巖經(jīng)蒸餾取出碳?xì)浠衔?/p>

25、後，其體積將膨脹而增加約35% 左右，因此無(wú)法單純地將用過(guò)後的油頁(yè)巖棄置於原來(lái)開採(cǎi)後遺留下的場(chǎng)址，必須另覓廢棄物的廢置廠。 從油頁(yè)巖中產(chǎn)出1公升的油需要3公升的水，若以格林河層為油頁(yè)巖的開發(fā)對(duì)象，由於當(dāng)?shù)貥O為乾燥，因此水資源的取用將是一大問(wèn)題。,3-5　頁(yè)巖油與油砂,阻礙油頁(yè)巖開採(cǎi)的因素,油砂係石油滲透入地球表面的多孔性砂中而形成，其除了含沙、黏土及水外，尚含有似焦油的碳?xì)浠衔?，其是一種非常黏稠的原油，稱為瀝青，瀝青在油砂中的含量約

26、有11~12%，因此，油沙又稱為瀝青砂。,3-5　頁(yè)巖油與油砂,油砂(Tar Oil),傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法是先把砂礦挖出，而後混合熱水及鹼將瀝青釋放出來(lái)，再以浮選法分出瀝青?，F(xiàn)代方法則先將油砂壓碎，混合熱水及蒸汽，分出瀝青後以輕油 (C4到C10之碳?xì)浠衔?)稀釋，再以離心法分離，此瀝青可利用延遲結(jié)焦或流體化結(jié)焦及氫化法加以提升，以得到合成原油 (synthetic crude oil)，此時(shí)即可進(jìn)行煉製。此外，也有就地的方法，即利用蒸汽

27、注入地下油礦開發(fā)。雖然自1966年以來(lái)即付出許多的努力以開採(cǎi)油砂及提煉合成原油，但至近年來(lái)技術(shù)的演進(jìn)才將開發(fā)的成本降至值得開採(cǎi)的地步並獲利。1960年代開採(cǎi)油砂中的油，每桶成本約要30美元。至1995年時(shí)，合成原油的生產(chǎn)成本已降至10.5美元，而瀝青的回收率約92%。,3-5　頁(yè)巖油與油砂,油砂(Tar Oil),3-5　頁(yè)巖油與油砂,油砂(Tar Oil),Tar fields along the Athabasca River in

28、 Alberta, Canada. (Photo: National Geographic Magazine, June 2004),Tar oozes from sand along the Athabasca River. Formed millions of years ago as oil leaked from reservoirs, the tar, or bitumen, permeates more than 15,00