书城工业技术求知文库-能源略说
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第14章 能源种类(2)

这家公司的股东德雷克萌生了一个念头:既然石油源源不断地从地下渗出,那么地下深处肯定有大量石油存在,关键是如何把它们开采出来。他想起了地球那端的中国人,因为好学博闻的他知道古代中国人会打很深的“火井”和“盐井”,然后用从火井中引出的天然气去蒸发盐井中取出的盐水,生产固体盐。他也充分了解中国人的打井方法。于是,德雷克用坚硬的钢制成了钻凿,用缆索上下抽送破碎的岩石。1859年8月28日,在洞钻了21米之后,一条碗口粗细的黑色石油柱从地下喷了出来,喷得高高的,又雨点般地洒向地面。德雷克他们在“油雨”中欢呼雀跃。德雷克取得成功的消息马上传开了,人们蜂拥而至。宾夕法尼亚州的西北部成了世界上第一个油田。

在石油开采的初期,人们都是根据地表有石油渗出这类“地面油气显示”

来确定打井地点。地面油气显示往往与地下地层的断裂有关,含油层的石油沿着断层的裂缝运移到地表,会在一些凹地中汇集成油池。这给人们提供了明确的信息:“这里的地下有石油。”

可是,更多的时候却是石油在向上渗透时,会遇到没有孔隙的坚硬岩层,这时地面上就不会有油气显示了。那么,有没有办法知道地下有石油呢?人们发明了一种“人工地震勘探法”。

探测时,人们先在地下几十米深处放上炸药,然后引爆,利用这小规模的爆炸制造出人工地震来。爆炸时产生的地震波向周围地层内传播。由于含有油气的地层结构与一般地层不同,因而对地震波的反射也不同。设在地面上的仪器将反射回来的地震波接收并用磁带录制下来,人们只要对录制下来的地震波进行分析研究,便可大致判断那里有没有油气,以及埋藏深度和储量多少。

人工地震勘探法是石油的物理勘探方法中最常用的一种,此外还有磁力测量法、电力勘探法等。

其实,细菌也可以帮助人们找到石油。不同的细菌由于特性不同所以吃的东西也不同。其中有一类细菌专门喜欢吃石油的分解成分。这一类最能代表石油特征指示性细菌,因为在油气田范围之外很少见到它。人们只要在野外取得岩石、土壤、地下水样品,送到实验室去分析,如能见到它,则十有八九可以顺藤摸瓜,找到石油。

现在最先进的勘探方法,是用地球资源卫星进行探测。这种卫星不断向地面发射电磁波,不同岩石和矿石反射的电磁波的本领不同,卫星上的遥感器会把各种矿物反射的电磁波能量记录到高密度磁带上,再转换成不同色彩的照片,通过对这些照片的判读,就能找到包括石油在内的各种矿物。美国科罗拉多州西北部的油田就是这样发现的。

找到油田以后,人们就开始钻机打油井。钻机上大功率的柴油机带动钻盘转动,转盘再带动钻杆转动。岩石由于受到钻杆重量的压力,在钻头的高速旋转下破碎。破碎的岩屑被钻杆中压入的泥浆从钻杆与钻孔之间的环形空间带到地表的泥浆槽中。就这样钻孔越钻越深,一直打到含油气层为止。

石油在地底下埋藏很深,上面覆盖着很厚的地层,因此受到很大的压力。

油层一旦被打穿,油层内的压力就会将石油自动压出地面,当油喷到一定程度时,地下油层的压力就会逐渐降低,渐渐的油就喷不出来了。这时人们再通过向油层内注水或者加气的方式,使油层的压力得到恢复,从而将剩余的油开采出来。

从1859年人类大规模开始采油以来,全世界已开采石油640亿吨,其中绝大部分采自陆上。19世纪60年代以后,由于在陆上已很难发现大的新油田,人们将目光投向海上,于是海上油田数量猛增,1947年,美国在墨西哥湾建造了第一座远离海岸的钢制平台,标志着海上石油的开采已经进入现代化阶段。

兵分几路

德雷尔钻井取油的成功,轰动了世界,发生了空前的世界性的石油勘探热、经营热。短时间内,石油公司如雨后春笋般地涌现出来。

但是,原油(没有加工过的石油)的用处并不太大,用它来点灯,黑烟太大,很快就会将房间熏黑,与当时的煤气灯相差很远。

1862年,年轻的美国人洛克菲勒与石油技师安德留斯筹资建了一座炼油厂,开始进行石油的工业化加工。他们采用“蒸馏”的方法,加热使石油汽化,并首先收集那些较小的碳氢化合物分子,然后是稍大一些的碳氢化合物分子,这样依次收集下去,直到剩下的无法汽化的成分为止。那些很小的碳氢化合物就是“石油气”,可以像煤气一样用来点灯,并且有与煤气一样好的效果。稍小一些的分子是液体,接近于煤油,可以用来作润滑剂、用来点灯,还可以作燃料。剩下的无法汽化的碳氢化合物大分子就是可以用来铺路的“沥青”。

说来也不可相信,在初期的石油炼制中,人们丢弃的废物正是以后最有价值的部分。当时人们获得了一些小分子的石油产品,其分子大于石油气而小于煤油。由这些分子组成的物质是极易挥发的液体,因为它们汽化太快,会产生太多汽化气而引致爆炸,所以人们不敢用来燃烧,最后只有丢弃。直到好些年以后,人们才知道被自己丢弃的就是汽油。

原油中一般含有10%的汽油,这个数字远不能满足人类的需要。于是,人们开始用一种“裂化”的石油加工方法,即在高温、高压和催化剂的作用下,使含碳原子较多的碳氢化合物大分子裂开成小分子,也就是把煤油、柴油等相对用途较小的产品变为汽油。通过这样的处理,人们从1吨原油中可以得到的汽油比原来提高了7倍多。

石油中含有一类叫芳香烃的物质可以加工制成苯和甲苯,而这是制造硝基苯和三硝基甲苯等烈性炸药的主要原料。现在人们在石油加工中采取“重整”的方法,让石油中的其他烃类改变组合方式变成芳香烃。在用催化剂进行处理后的重整产品中,芳香烃的含量可高达50%。

人们要提高汽油内燃机的功率,很重要的一点是要把汽油和空气的混合物在汽缸内压缩得尽可能地紧密,然后再点火燃烧,使它产生更大的推力。

但这样一来,由于气体被压缩到一定体积时会产生高温,这会使汽油燃烧起来,发生爆震。爆震会损坏汽缸,还使汽油的燃烧不完全,浪费汽油。70多年前,有两位美国化学家密德烈和波义德开始了这方面的研究。经过多方研究,终于发现了一种叫甲基苯胺的物质可以提高汽油的抗爆震性能,用同样多的汽油,可以使汽车多跑一半的路程,但它排出的气体非常难闻。他们继续努力,到1921年,他俩终于发现了一种便宜的带有水果香味的抗爆震剂——四乙基铅,只要在1公升汽油中加入1克的这种物质,就可显著地提高汽油的抗爆震性。

19世纪中后期,随着石油的大量开采和加工工艺的发展,石油制品在种类和数量上都变得越来越多了。经过很多人的共同努力,汽车和飞机相继被发明并用汽油内燃机作发动机,随着飞机的日益普遍化,需要的汽油量也越来越多了。

1892年,德国工程师狄塞尔发明了另一种类型的内燃机,即柴油机。狄塞尔柴油内燃机比汽油内燃机重,功率也大,因此后来多被用于卡车、公共汽车、轮船那样的大型设备上。

至20世纪30年代,随着汽油内燃机和柴油机的推广使用,石油作为能源已变得比煤更重要,人类开始迈进了石油时代。

天然气

天然气,顾名思义就是天然产生的气体。它是以甲烷为主要成分的分子量比较小的烃类。它和石油一样,也是埋藏在地下的古代生物经过长期高温、高压的作用而形成的,因此,常常伴随石油存在于地壳中,被称为石油的“孪生兄弟”。

早在2200多年前的战国时代,人们在现在的四川省双流县境内掘井取地下盐水时,就发现了天然气。现在,四川仍是我国天然气最大的产地。

天然气燃烧时能发出大量的热量,一立方米的热值一般在8000~20000千卡之间,大约是同等质量木材的3倍,是同等质量优质煤的1.5倍,这是因为在天然气分子中含有较多的氢原子。天然气有的是不断喷出,有的是间断喷出,有的点火才燃烧,有的自己就会燃烧,形成“怒火冲天”的自然景观。

我国大规模用天然气作燃料是在宋代。当时,我国古代人民已经掌握了深井钻凿技术,能钻出深达数十米的小口筒井,而且发现和利用天然气的地方也多了起来。到清朝时,钻天然气井的技术更高了。据记载,当时筒井钻凿的深度已达到300丈,一口火井出产的天然气最多可烧盐锅700口。这说明当时的钻井技术及每口井的天然气产量都已达到很可观的程度。

在国外,虽然也有较长的天然气发现史,可应用较晚,大约到1820年左右,才有意识地开采和使用天然气。现在,世界上天然气储藏量和开采量最大的是俄罗斯,占世界总量的1/3左右。

天然气和石油常常储藏在一起,有伴生气、含气田和纯气田的说法。目前,天然气、煤和石油并称为当今世界的三大矿物燃料,共同构成了整个工业的能源基础。

天然气的主要成分甲烷同水蒸气在催化剂的作用下,可以生成一氧化碳和氢气,氢气是合成氨工业制造氮肥的主要原料。所以,还可以利用天然气建立一批氮肥厂。用甲烷作原料,还可以生产粒子很细的炭黑,它可用作橡胶的补强剂,天然橡胶掺入炭黑以后,强度可增加一两倍。炭黑还可以用来制墨和墨汁。现在人们还发现,天然气里含有许多合成工业中不可缺少的重要原料,如果能充分利用的话,其价值远远超过作为燃料的价值。

天然气在生产和消费过程中,具有比其他矿物能源更多的优点:

一是纯净。天然气在燃烧过程中也要产生许多二氧化碳,但与石油相比,却少50%,与煤炭相比要少75%,基本不排放有毒气体。因此,天然气是矿物燃料中对环境污染最小的一种。

二是使用方便。既可液化,又可经管道直接输送,能作为任何大中小企业和电站的燃料。

三是经济。开采成本低,兴建天然气电站投资少,维修和防止污染所需设备费用也小。因此,这种石油的孪生兄弟,成为石油强有力的竞争对手,格外受人青睐。

所以,目前人们正在进行天然气利用的深层开发,以使这地下宝物能为人类创造更为美好的色彩斑斓的明天。

生物质能

生物质能是人类已利用很久的能源了。只是到了今天,随着科学技术的飞速发展,对地球上生物质有了新的认识,对开发利用这种能源的手段有了新的创造,才把它提上了新型能源技术领域。

生物质能来源于生物质。所谓生物质就是在有机物中除矿物燃料外,所有来源于植物、动物和微生物的可再生的物质。动物要以植物为生,而植物则通过光合作用把太阳能转变为生物质的化学能。因此,从根本上说,一切生物质能都是来源于太阳能。生物质也称为“生物量”,“生物量”是生态学中的一个术语,用以表示生物体及由于它的活动而生成的有机物总体。而这些有机物可以用作能源。

地球上的生物质资源极为丰富,是一种无害的能源。据估计,地球每年经光合作用所产生的干物质有1730亿吨,它所拥有的能量,相当于全世界能源总消耗量的10~20倍,但目前利用率很低,只有1%~3%。全世界约有25亿人依靠生物质能取暖、烹饪和照明,这些人大多数居住在发展中国家的农村地区。

世界上生物质能源种类繁多,主要有农作物和农业有机残余物、林木和森林工业残余物,还有动物排泄物、江河和湖泊的沉积物以及农副产品加工后的有机废物、废水,城市生活有机废水和垃圾等,都可以成为生物质能的资源。此外,藻类、水生植物和可以进行光合作用的微生物等,也是可以开发利用的生物质能资源。所以说,生物质能源,就是通过种植能源作物和利用有机废料,经过加工,使之转变为生物燃料的一种能源。

当今世界,常规能源危机,生态环境惨遭破坏,客观环境迫使全球能源结构必须进行战略性改变,作为新型能源舞台上的一员,生物质能必将登台亮相,在现代高技术群体的支撑下,扮演一个重要角色。因此,各国在调整本国能源发展战略中,把高效利用生物质能摆在技术开发的一个重要地位,成为能源利用中的重要课题。人们预言,生物质能必将成为下一代的一种新能源。

绿色能源

太阳是地球上一切能量和生命的基本源泉。绿色植物本身不仅能吸收而且还能贮备太阳的能量,就是说,绿色植物具有“固定”太阳能的特性,也即它能利用太阳光能进行光合作用。把二氧化碳和水合成储藏能量的有机物(糖类),并释放出氧气来。利用这些物质就可以开发出能源,故人们称之为“绿色能源”。

地球上的绿色植物能“固定”多少太阳能呢?从热量上讲,以全球表面积5.1亿平方公里,其中陆地表面积为1.49亿平方公里,海洋为3.61亿平方公里计算,陆地植物每年可以“固定”的太阳能为4.7×1017千卡,如果每千克绿色植物的发热量为4千卡,则可形成1180亿吨有机物;而海洋植物每年则可以“固定”太阳能为2.2×1017千卡,其发热量也按4千卡计算,则可形成550亿吨有机物。从能量上进行估算,全球陆地绿色植物利用的太阳能,约占到达地面表面太阳能的4‰~5‰,为400亿千瓦;而水下绿色植物所利用的太阳能,估计比陆地植物要多若干倍。从植物光合作用后产生有机碳的角度进行估算,在1.49亿平方公里的陆地上,沙漠约占33%左右,森林、草原和耕地实际上约为1.02亿平方公里。在这1亿多一点儿的“绿地”

上,植物经光合作用而产生的有机碳数量,每平方公里平均是159吨。所以,人们设想,如果全球凡能种植的土地全都种上绿色植物的话,那么全球每年仅陆地生产的有机碳就可以达到161亿多吨。因此,人们都把植物称为“绿色能源”。

这些有机物充分合理地利用,就可以释放出数量极大的热能。绿色植物在全球的总生物量,几乎与保存在地下的矿物燃料的总量相当。经实验,一吨有机碳在燃烧过程中,可放出4017万千焦耳的热量。

目前,地球上绿色植物的光合作用效率还比较低,仅为1.5‰左右,与正常应该达到的有效率5‰还有很大距离,说明利用植物生产生物质能的潜力还是很大的。

人们现在通常把主要的生物质(生物量)资源划分为以下几大类:

一是农作物类,主要包括:产生淀粉的甘薯、玉米、番薯等;产生糖类的甘蔗、甜菜、果实和废液等。

二是林作物类,主要包括:树木类,指白杨、悬铃木、赤杨、枞树等;森林工业废物;以及苜蓿、像草、芦苇等草木类。

三是水生藻类,主要包括:海洋性的马尾藻、巨藻、石莼、海带等;淡水生的布袋草、浮萍等;微藻类的螺旋藻、小球藻等;蓝藻、绿藻等。