第一節 煤炭將再次奪冠 第二節 石油—現代工業的「血液」 第三節 天然氣和油頁岩 古老的化石能源展新姿 大 綱 第一節　煤炭將再次奪冠 第二節　石油—現代工業的「血液」 第三節　天然氣和油頁岩

第一節 煤炭將再次奪冠 在第一次世界大戰前，煤曾居世界能源利用的首位。後來，由於石油和天然氣開採量不斷上升，煤炭在能源中的地位開始下降，隨著20世紀60年代，中東地區石油的大量開發，於1967年退居於第二位。但是，由於受到20世紀70年代初和1979年兩個能源危機的影響，許多國家為減少對石油的依賴，再次引起對煤炭的注意，力求增加煤炭的開採利用。預計在今後相當一段時間內，煤炭作為主要的能源，地位還將進一步加強。

從兩個表中不難看出，在化石燃料中煤的可採儲量、儲量壽命和潛在儲量壽命，都遠遠大於其他化石燃料，這是決定煤的能源地位的最主要因素；雖然當前石油能源已躍居世界首位，但儲量比煤少。從遠景上看，石油是亞於煤的。煤在世界區域分佈較廣泛，不像石油那麼集中，為世界廣泛使用煤提供了方便。

煤的氣化 煤炭是幾億年前到幾千萬年前，地球上的植物被埋在地下，經過壓力和高溫等地質作用，逐漸碳化變成的。不同的地質年代，地球上生長的植物不一樣，再加上生成煤的條件又有所不同，因此人們才能見到褐煤、煙煤和無煙煤等多種煤炭。但是，無論那種煤，全都是固體。使用和運輸都不方便。直接燒煤，熱效率低，浪費大，同時還會放出二氧化硫和氧化氮等有害氣體，嚴重污染環境。 為了改變以上狀況，人類不能再把那麼多的煤炭直接燒掉了。最好的辦法就是把固體的煤炭變成氣體，或者變成液體來使用。這樣既可以提高熱效率(thermal efficiency)，又不會污染環境。

煤層氣──潛在的能源 煤和煤系地層形成過程中產生的天然氣，稱為煤層氣，俗稱瓦斯(gas)。是一種高效、優質、清潔、無污染的理想民用燃料和化工原料。其成分是以甲烷為主的乾氣，重烴含量很少。1立方公尺煤層氣產生約35530焦耳熱量，比1公斤標準煤的熱量還高。

煤層氣是腐植質在煤化變質過程中熱分解的產物，隨著煤化變質程度的增高，釋放出來的氣量也隨之增加。如1噸褐煤形成時產生38～68立方公尺煤層氣，形成1噸高變質的無煙煤時能產生346～422立方公尺煤層氣。煤化過程中形成的大量煤層氣，大部分散逸在大氣中。一部分以煤層本身為儲氣層，以吸附或游離狀態賦存於煤層的孔隙、裂隙、縫隙中，稱為煤層氣。這種氣一般儲量較小。每噸煤吸附的瓦斯量的多少，取決於煤的種類、溫度、壓力、裂隙度、埋藏深度、有無露頭和相鄰地層的滲透性等因素。另一部分煤層氣則在適當的地質條件下，運移到其他地層，如砂岩、石灰岩中儲存，在「生、儲、蓋」適合的條件下，便聚集成氣藏。這種煤層氣儲量都較大，往往形成有工業價值的氣田。

煤的地下氣化 讓埋在地層下的煤，在地下煤層中直接氣化後引出煤氣。煤的地下氣化原理：先從地面打鑽井到煤層，通過鑽井壓入空氣將煤點燃，煤層部分不完全燃燒，形成煤氣，氣化區域產生的煤氣從附近的另一鑽井引出抽回地面；或者從地面壓入高壓氫氣，使氫氣摻入煤層，在高溫下煤和氫氣反應生成氣體燃料。

這種地下氣化法不需要複雜的採掘機械，不需要挖坑道、設豎井，工人不需要地下作業，勞動強度低，工作條件獲得很大改善。尤其對於薄煤層、深層煤和劣質煤礦很有吸引力。煤能夠在地下氣化，這是煤炭工業的一次革命。目前的困難在於地下反應不易控制，煤氣產量不穩定，另外對地下水的污染問題還沒有解決（圖9-1）。

圖9-1　煤的地下氣化技術

煤的液化 煤的液化，就是在一定的工藝條件下，通過各種化學反應，把固體的煤炭變成液體的燃料。 煤怎樣能變成石油呢？原來煤和石油都是由碳、氫及少量其他元素組成，但這些元素的比例不同，煤的分子量也比石油大得多。只要設法改變碳氫比例，並將煤熱解成較小的分子，煤就會變成石油樣的液體燃料。地質年代越淺的煤，元素組成與石油相似，其液化也就越容易，如褐煤比煙煤、無煙煤容易液化。

科學家就可以選擇一定的條件，像高溫、高壓等條件，向煤的分子裡加進大量的氫元素，把煤裡的大分子變成小分子，使它的結構跟石油差不多。這就是煤的液化原理。

潔淨技術解燃煤之急 煤的應用推動了人類社會的進步，又給人類帶來了一系列的環境污染問題，危及生態平衡與人類的生存。 煤燃燒後進入大氣的懸浮粒子，包括灰粒子、微量金屬和碳氫化合物、煙等，對人類的健康威脅很大。煤燃燒時排放的二氧化硫(SO2)是大氣污染的元兇。 正因為煤炭燃燒後給自然界帶來各種污染，所以潔淨煤技術應運而生，成為當今世界解決煤炭利用和環境問題的主導技術，在各工業發達國家得到高度重視與大力發展。

第二節 石油—現代工業的「血液」 石油是一種液態的礦物資源，它的可燃性能好，單位熱值比煤高一倍，還具有比煤清潔、運輸方便等優點。石油現在不僅是世界工業發達國家的主要能源，而且是重要工業原料；不僅是重要的軍用物資，而且是日常生活的必需品。的確，石油正是現代工業的「血液」。 石油是優質的動力燃料。1公斤石油燃燒，可產生約4萬焦耳熱量。現代工業、國防、交通運輸對石油的依賴程度是很大的，飛機、汽車、拖拉機、導彈、坦克、火箭等高速度、大動力的運載工具和武器，主要是依靠石油的產品——汽油、柴油和煤油作為動力來源。

從石油中可以提煉出來各種潤滑油和潤滑脂。把潤滑劑放進機械裏邊，可以減少機械的磨損，保護零件，延長使用壽命。 石油還是重要的化工原料。人們的衣食住行都離不開石油產品。有人統計，目前石油的產品超過5000多種，已滲透到人類生活的所有領域。例如，三大合成材料：合成纖維、合成塑膠、合成橡膠，都是用石油作原料，經過多次化學加工生產出的產品。百貨公司裡五顔六色的塑膠產品，琳琅滿目的化纖衣物和毛毯等，都是石油的新貢獻。

新技術革命與石油工業 世界上還有很多有利地區等待勘探，依靠先進技術，能打開廣闊的找油採油新領域。目前，一些地區自然條件差，工作難度大，如海灣、兩極地區、沙漠、沼澤等，有了先進的技術裝備與方法，就可以戰而勝之。另外對已勘探、開發的老區，重新評價、重新做勘探工作，成了一種世界性的趨向。當然這不是一般意義上的重複，而是利用新理論、新方法、新技術重新認識與改造（圖9-4）。

圖9-4　對已開發油田的重新勘探

依靠新的技術，使過去「非常規資源」升級變為具有經濟性，也是近年來的重要動向，如對高比重原油資源，尤其是委內瑞拉東部奧里諾科重油帶的開發，在這方面是一個很大的推動。 目前經濟條件及技術水平尚不能工業開採的「非常規石油」、「非常規天然氣」，在世界各地分佈甚廣，現在也越來越接近被開發利用的邊緣了。

由於海洋開發石油、天然氣，是在特殊的自然環境和工作條件下進行，就決定了海上石油勘探開發必然是技術高度密集型的。因此，盡可以採用先進工藝和裝備，海上地震將發揮更加重要的作用，海上鑽井發展深水鑽井、定向鑽井，並確保一次成功。由於海洋石油勘探技術的興起，使海底石油和天然氣的勘探與開採得以實現，這樣，地球上的石油儲量將大幅度地增加。

第三節 天然氣和油頁岩 天生麗質天然氣 天然氣(natural gas)是世界上繼煤和石油之後的第三能源，它與石油、煤炭、水力和核能構成了世界能源的五大支柱。 天然氣是蘊藏在地層中的烴和非烴氣體的混合物，包括油田氣、氣田氣、煤層氣、泥火山氣和生物生成氣等。世界天然氣產量中，主要是氣田氣和油田氣。對煤層氣的開採也已逐漸受到重視。

目前在世界能源結構中，天然氣占25%，預計到2010年左右，天然氣將異軍突起，可能增長到35%，甚至成為主要能源之一。天然氣的主要成分是甲烷，其氫碳比高於石油，本身就是優質清潔型燃料，是目前世界上公認的優質高效能源，也是可貴的化工原料。 天然氣密度小，具有較大的壓縮性和擴散性，採出後經管道輸出作為燃料，也可以壓縮後灌入容器中使用，或製成液化天然氣。開採天然氣的氣井存在壓力差，利用這種壓力差可以在不影響天然氣開採和使用的情況下進行發電。

天然氣有許多優點：不需重複加工就可直接作為能源；加熱的速度快，容易控制，能夠隨意地送到需要使用的區域；質量穩定，燃燒均勻，燃燒時比煤炭和石油清潔，基本上不污染環境；用作車用燃料，二氧化碳排放量可減少近1/3，排氣中一氧化碳含量可降低99%。此外，天然氣的熱值、熱效率均高於煤炭和石油。

天然氣種類多 目前，人們已發現和利用的天然氣有6種之多，它們是油型氣、煤層氣、生物成因氣、無機成因氣、水合物氣和深海水合物圈閉氣。我們日常所說的天然氣是指常規天然氣，它包括油型氣和煤層氣，這兩類天然氣的主要成分是甲烷等烴類氣體。天然氣中還有一些非烴類氣體，如氨氣、二氧化碳、氫氣和硫化氫等。

天然氣採氣工藝 人們把天然氣從地層採出到地面的全部工藝過程，簡稱採氣工藝，它與自噴採油法基本相似，都是在探明的油氣田上鑽井，並誘導氣流，使氣體靠自身能量（源於地層壓力）由井內自噴至井口。天然氣密度小，在沿著井筒上升的過程中，能量主要消耗在摩擦上。由於摩擦力與氣體流速的平方成比例，因此管徑越大，摩擦力越小。在開採不含水、不出砂、沒有腐蝕性流體的天然氣時，氣井上有時甚至可以用套管生產。但在一般情況下，仍需下入油管。 天然氣加工很簡單，只需簡單處理就可作為燃料或石油化工及化肥原料。有時只進行化學處理，清除硫化氫和二氧化碳後，就可送入輸氣管道。

從目前世界天然氣利用的總體情況看來，工業發達國家將天然氣主要用於電力和民用，而發展中國家用於這兩方面的比例較小；發達國家用天然氣作化工原料的比例較小，但絕對量並不少。從世界範圍來說，天然氣不僅在一次能源結構中已占到約23%，而且已成為發電、工業、民用等部門不可缺少的燃料和化肥等化工部門的主要原料，並具有十分重要的戰略地位。

天然氣水合物 天然氣水合物(gas hydrate)，又稱天然冰(natural ice)或可燃冰(burning ice)。這是天然氣和水在海洋的強大壓力和低溫海水作用下，經過幾百萬年，凝固而成的一種堅實的凝固體。天然氣水化物的發現，開始是在北極圈，從鑽探的地方冒出來，它一接觸到海面冷水立即凝結成一層晶狀體。後來人們在海底油氣資源勘探中，普遍發現了這種冰凍狀態的天然氣水化物晶體。這種新能源，估計它的儲量將是世界石油儲量的2倍。

全世界水化物中的甲烷含量約19810×104億立方公尺。因此，天然氣水化物被認為是最有希望的新型能源。

不可小視的「固體石油」 腐泥煤(sapropel coal)、油頁岩(oil shale)、瀝青質頁岩(bass)，都是含油率較高的可燃性有機岩，是提煉石油和化工產品的寶貴原料，被譽為「固體石油(solid petroleum)」。 這些固體石油，特別是油頁岩，據估計，在全世界的儲量大大超過石油，並且有可能超過煤炭。在能源短缺的今天，世界各國已經開始研究如何利用的問題。美國、俄羅斯等許多國家紛紛進行各種實驗，以取得加工利用的科學資料。德國堅持綜合利用的方針，建立了一個油頁岩—水泥聯合企業，他們以油頁岩作燃料，生產水泥並發電，雖然生產規模不大，但是在經濟上已經贏利。

油頁岩的利用途徑 油頁岩工業利用途徑有兩個：一是煉油、化工利用；二是直接燃燒產氣發電。 煉油化工利用，是將油頁岩進行乾餾(dry distillation)，製取頁岩油和副產物硫酸銨(ammonium sulphate)、吡啶(pyridine)等。頁岩油進一步加工，則可生產汽油、煤油、柴油等輕質油品。油頁岩直接燃燒，是將其在專門設計的鍋爐中燃燒產氣發電，油頁岩乾餾煉油殘留的頁岩灰和油頁岩燃燒生成的頁岩灰，均可用作水泥等建築材料的原料。

一般認為，油頁岩是低熱值燃料，油頁岩煉油廠或油頁岩電廠的投資大。據估計，年產百萬噸頁岩油，從油頁岩開採、乾餾，到加工成油，需投資億元；同時，生產費用高，利潤少，甚至有虧損。但是，隨著國際石油危機的到來，以及石油價格的猛漲，同時由於油頁岩綜合利用的進展，儘管投資較大，大規模開發在經濟上仍不失其應有的價值。