书城工业技术求知文库-能源略说
16211100000003

第3章 常规能源(1)

常规能源是指在目前的利用条件和科学水平下,已被广泛利用的能源。

常规能源种类的划定与各国各地区的经济技术发展水平密切相关,各国各地区划分常规能源种类有较大区别。这里,我们根据我国目前能源利用现状及在能源总量中所占比例,把煤炭、石油、天然气、薪柴等列为常规能源来介绍一下。

煤海探根

人类知道使用煤炭已有2000多年的历史,但真正了解煤炭的成因却还只是近20年来的事。

欧洲人在相当长的时间内并没有使用煤炭。当著名旅行家马可·波罗来到中国,看到有人把煤炭当作燃料时,感到十分吃惊。他在《东方见闻录》中写道:“契丹(指中国)全境中,有一种墨石,采自山中,如同脉络,燃烧与薪无异……”可见,我国是最早发现和使用煤炭的国家之一。

现在,人们完全可以科学地解释地下煤炭的形成原因和过程了。

煤主要是由有机残体和少量无机质堆积在湖盆、海湾、浅海等低凹地方,经过复杂的生物化学和物理化学转化过程而形成的固体矿物。人们在显微镜下发现煤中含有植物细胞和孢子、药粉以及各种植物化石,这些都是古代植物堆积演变成煤的佐证。

但是,在自然界里不是有了植物就一定能成煤,只有当植物与气候条件、地理环境和地壳运动配合得比较理想时,才能发生成煤作用,形成煤层。在漫长的地球历史中,曾经有过几个气候潮湿、植物茂盛的时期,适合煤的形成。湿润多雨的气候有利于沼泽的形成和植物的繁衍,特别是在当时的海滨或沼泽地带,曾经生长过高大的鳞木目、松柏木、科达树目、苏铁目等树类和巨大的羊齿植物。沼泽是植物持续繁衍和堆积的最好的地理环境,它可以发育在滨海平原,也可以出现在内陆湖泊的滨岸或低洼地区,大量植物一旦死亡倒入水中,立即被水体覆盖,使植物遗体与空气隔绝而不致完全氧化分离,如果泥炭沼泽的底盘又处于不断下沉的构造条件下,经过复杂漫长的成煤过程,植物就可以演变成煤,有的还可以形成正式的煤田。

由植物转变成煤的过程,大体可以分为泥炭化、煤化和变质三个阶段。

泥炭化阶段,就是植物被细菌所腐烂分解的过程。当植物一层层堆积在水下而被泥沙覆盖起来的时候,与空气中的氧气相隔绝,在嫌气细菌的作用下,使植物残骸腐烂分解形成了质地疏松的泥炭。这种植物被细菌分解的作用称为菌解作用,泥炭化阶段,也即生物化学作用的阶段,通过这一作用。

用碳、氢、氧等元素组成的植物遗体中,氢氧的成分逐渐分解减少,而碳的成分明显富集,从而把植物遗体变成了泥炭。

煤化阶段,就是泥炭逐渐变成褐煤的过程。当泥炭被沉积物完全覆盖后,形成封闭的环境,菌解作用逐渐停止,在上覆沉积物的压力下,泥炭逐渐失去水分,并压缩和胶洁。挥发成分相对减少,碳的含量进一步增加,泥炭逐渐转化成褐煤这种作用,称为煤化作用或煤的成岩作用。

变值阶段,就是褐煤经过变质形成煤及无烟煤的过程,如果褐煤埋藏在地下较深的地方,在化学成分上,水分和挥发成分进一步减少,炭的含量相对增加;在物理性质上,结构更加严密,比重逐渐加大,产生粘结性,出现了光泽,这样,质地疏松的褐煤变成黑色的烟煤,进一步可以变成质地坚硬的无烟煤岩。

煤炭分类

煤炭的分类方法很多,但由于标准不同,分类方法也有许多差别。

按照生成煤炭的原始物质,可以分成腐殖煤、腐泥煤和残留煤。腐殖煤是由高等植物经成煤作用形成的,地球上的大部分煤炭都属于这一类。腐泥煤是由海藻之类的低等植物的残骸生成的。残留煤是由不易被细菌分解的植物生成的,常残留有植物,像腊煤和一些烛煤等。按照煤炭外表形态,可以分为矿煤、煤煤、亮煤和暗煤。矿煤,很像木炭,黑色,有清晰的纤维构造,质地软弱,灰分高。煤煤,有光泽,外表上看不出纤维构造,灰分不高,炼焦性很好。亮煤,是一种半闪光性的煤炭,纤维构造不大明显,灰分较低。

暗煤,无光泽,坚硬,有颗粒状构造,灰分较大,炼焦性较差。

按照煤炭的形成阶段和炭化程度,可分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤。

泥炭即泥煤,由于埋藏在地下只有200万年左右,是煤炭中最年轻的一种。

泥炭和褐煤含有较多的水分,使用价值比较低。烟煤和无烟煤的含碳量比较高,使用价值也比较高。这种分类方法兼顾了煤的特征和品质,在工业应用上有一定意义。

随着科学技术的发展,煤炭的用途越来越广,除了用作燃料直接燃烧和作为蒸汽的动力能源外,还作为炼焦、制造可燃气体和化学工业的原料。

18世纪中叶以后,随着蒸汽机的广泛应用,煤炭消费量日渐增加,逐渐成为世界上的主要能源。到20世纪初,煤炭跨进了它的另一个黄金时代。此后,在半个多世纪内,煤炭一直是世界能源的主要成员,为社会生产的发展和人民生活的改善做出了重要贡献。从20世纪50年代以后,由于石油和天然气的兴起,煤炭所占比重有所下降,但近十几年来煤炭在世界能源消费中的比重又有回升,有可能重居世界能源的主要地位。因此,能源专家把煤炭称为“通向世界未来的桥梁”。并预言,最迟在21世纪初,煤炭的第二个黄金时代就会到来。

近十几年来,能源科学家也正积极地研究煤炭的转化和综合利用,主要包括原煤洗选、坑口发电、气化、液化以及转化为化工产品等。

早在20世纪50年代初,一些发达国家就发展了煤岩洗选加工工艺。到80年代初,各国洗选加工后的商品煤已达85%,并对各种工业用煤的质量,包括水分、灰分、硫分、粘结性、发热量等,制订了严格的标准,对合理利用煤炭资源,提高热能利用效率,减少运输量,改善环境卫生,都有明显的效益。

在全世界的煤炭消费中,发电用煤增加迅速,炼焦用煤比较稳定,而工业、交通用煤等明显减少。把煤转化成电,特别是兴建大型坑口电站,是提高能源利用效率和减少长途运输的有效措施。

把煤进行气化、液化,加工成与石油、天然气相似的液体能源,日益受到各国的重视。据测算,1吨商品煤通过气化变成煤气,供应民用,可顶1.9吨煤烧,热效率提高近一倍。如果我国城市普遍采用煤气,可使城市居民用煤量节约40%~60%,每年节省煤上千万吨,环境状况也可大为改观。

我国消费结构历来以煤炭为主,未经历过石油时代。上世纪50年代,煤炭在能源消费构成中一直占90%以上;60年代至80年代初,随着石油资源的开发利用,煤炭比重有所下降,1980年,我国原煤产量仅占能源生产总量的69.4%;近十几年来又有所回升,1995年,原煤产量占全国能源生产总量的75.5%;未来一段相当长时期内,我国能源结构中煤仍将占绝大比重。

我国煤炭资源与国内石油、天然气、水力等一次能源相比占有绝对的优势,约占全国一次能源的90%,煤炭探明储量约有7000多亿吨,仅次于原苏联、美国,为世界第三大储煤国。若把埋藏深度在2000米以内的预测储量计算在内,我国煤炭总储量达5万亿吨之巨。

我国煤炭具有既广泛又集中的分布特点。所谓广泛,指分布面积而言,全国包括台湾在内的30个省、自治区、直辖市,除上海以外都有不同数量的煤炭资源,全国60%以上的县均产煤。所谓集中,是指数量的分布在地区之间极不平衡,北多南少,西多东少。尤其以南方和北方之间的差异最为显著。

华北占有全国探明储量的2/3,而长江以南的8省只有2%的探明储量分布。

我国主要煤田有山西、皖鲁苏、豫中豫西、内蒙古东部、鄂尔多斯南北、川滇黔、贺兰山、天山南北、沈阳周围、河北平原和黑龙江东部等。山西是探明储量最多的一个省份,达2000亿吨以上。

我国煤炭资源的品种非常齐全,从低变值程度的褐煤到高变值程度的无烟煤都有贮存。但各煤种数量相差很大,分布也不均衡。若把煤炭品种分为炼焦煤和非炼焦煤两大类,前者包括焦煤、肥煤、气煤和瘦煤;后者包括无烟煤、褐煤和烟煤中的贫煤、不粘结煤等。我国炼焦煤少,非炼焦煤多;气煤、不粘结煤、无烟煤、褐煤资源多,而肥煤、焦煤数量少。炼焦煤占我国煤探明储量的35%,其中华北地区就拥有全国60%的炼焦资源。褐煤是上世纪我国计划要大量开采的能源资源,我国褐煤的80%储量在华北地区。

煤炭工业是支持我国经济发展和保障人民生活的基础产业,我国现在70%以上的能源来自煤炭。改革开放以来,煤炭工业得到快速发展,国民经济由“以煤定产”转变到煤炭“以销定产”。1996年我国原煤产量13.8亿吨,是世界第一产煤大国。这除了得益于我国经济与科技发展之外,也得益于执行一条适合中国国情的煤炭工业的方针,就是发挥中央和地方两个积极性,实行大中小并举。现在中央和地方煤矿的产量,比例大体上是四六开,地方占大头,发挥地方中小煤矿的劳动力和地缘优势,同时又要注重国有大中型煤矿是煤炭工业的主力军作用。

今后我国煤炭工业将继续得到发展,根据预测,“九五”期间,煤炭年平均增长速度为2.3%,到本世纪初,总产量达到14.5亿吨,其中出口5000万吨。

由于技术的进步,煤炭使用上的节约,其他类型能源的替代,以及环境保护的要求,煤炭在一次能源中的比重将有所下降。煤炭增长的弹性系数,即煤炭增长与国内生产总值增长的比例,将由现在的0.38下降到0.32,这无疑是一个巨大的进步。

油气溯源

石油天然气是在一定地质时期内由低等生物沉积在浅海和湖泊中,在缺氧条件下逐渐变成有机质,并转化为油、气。又由于复杂的地质作用而产生大大小小的贮油构造,使油、气得以富集起来而形成油、气藏。

人类很早就发现和使用了石油。早在汉朝(公元100年前后),我国人民就已经开始利用石油来烧饭、点灯;瑞士18世纪才发明了煤油灯,19世纪末开始广泛采用。

至于石油和天然气的成因,已有许多假说和学说。目前大多数学者较统一的观点为有机生成说,即承认石油和天然气是有机物质在适当的环境条件下演变而来的,生成石油的有机物包括陆生和水生的生物,其中以繁殖最大的浮游生物为主。这些生物死亡以后,在比较平静的条件下,同泥沙及其他矿物质一起,在低洼的浅海、海湾或深湖中沉积下来,首先形成有机淤泥,这种有机淤泥不断被新的沉积物所覆盖,形成了与空气隔绝的还原环境。这样,经过一定的地质时期,低洼地区不断下降,上面的覆盖物不断加厚,有机淤泥承受的压力和温度也不断加大,在嫌气细菌、温度、压力、放射性元素等因素的综合作用下,经过几百万年或更长的地质时期,不断发生化学变化,逐渐成了石油和天然气。这其中,充足的有机物质来源和适宜的还原环境,是生成油、气的有利条件;有充分的有机质沉积是生成油的物质基础,此外,具有良好的生油层、储油层及其底层和盖层,以及优越的圈闭构造,是形成一个较大规模油气藏不可缺少的条件。

石油和天然气是一种高效能的优质能源,二者往往在同一矿藏(油气藏)中相伴而生,开采出来的石油(原油)大多需经加工后使用,天然气与煤一样,一般不经加工即可当作燃烧使用。石油和天然气都有较好的可燃料性和较高的发热量。石油的发热量比煤约高1~1.5倍。此外,石油又因其易开采、便运输、烟尘少等特点被人们称为“工业的血液”。

石油和天然气也是重要的化学工业原料。特别是近20多年来,世界石油化学工业发展很快,仅以石油中经过加工制成的产品就达5000种以上,石油和天然气的化工利用,生产合成纤维、合成橡胶、塑料、炸药、化肥等,是油气资源最充分和最合理的一种利用途径。

在国际上,石油一般分为原油和石油产品两大类。石油产品从用途可分为能源和非能源石油产品两类:能源石油产品包括液化石油、航空用汽油、普通汽油、煤油等;非能源石油产品包括石脑油、石油溶剂、粗石蜡、润滑油、沥青和各种石油化工产品等。这些石油家庭的“第二代”都是原油经过炼油厂的提炼而得到的,是由于它们各自不同的特点而具有不同的用途。

全世界石油天然气资源十分丰富,从世界主要的储油区域来看,更有明显的集中分布的特点。大陆沿海地带和大陆边缘浅海地带,约占世界石油探明储量的2/3,目前世界主要的储油区域有:中东波斯湾沿海和海底,为世界第一大储油区;非洲撒哈拉地区,几内亚湾沿岸和大陆架;拉丁美洲北部;伏尔加——乌拉尔地带,美国墨西哥湾沿岸和大陆架;中国东部沿岸和大陆架海底;西欧北海大陆架;东南亚印度尼西亚沿海地区和大陆架区域。

世界油气的开采除了有其地域特点,也有一个历史过程,第二次世界大战以前,欧洲、北美石油探明储量约占全世界的4/5以上。到20世纪50~60年代的“石油大发现”时代,由于石油消费量的激增和勘探技术的提高,世界石油探明储量迅速增长,20世纪70年代比50年代猛增了6倍。亚洲、非洲、拉丁美洲成为石油分布的重要区域,其中波斯湾沿岸地区竟富集了世界石油探明储量的3/5。进入70年代以后,由于能源危机的刺激,世界石油开采利用规模之大,范围之广,技术之先进都达到前所未有的深入程度。

石油,这种廉价的能源,随着工业的发展,越来越成为现代化工业的重要支柱,它为工业、农业生产和国防建设提供了所需要的一半以上能源。因此,工业国家甚至把石油视为工业生存的血液,自然它也就成了人们竞相争夺的重要战略资源。而且石油价格一有较大波动,整个西方经济就会产生巨大的震荡,20世纪70年代以来发生的几次大的石油危机就证明了这一点。瑞士一所高等技术学校经济研究所估计,如果石油价格发生剧烈的波动,整个“经济合作和发展组织”范围国家的经济增长幅度就将下降一半。

这正表明:石油已成为各国政治、经济的命脉;也是引起军事冲突的重要因素之一,1990~1991年初的海湾危机和战争的爆发就是明证。据世界观察研究所调查,波斯湾地区石油资源在1989年时已占全球探明储量的66%,按目前的开采速度,大多数海湾国家的石油至少可开采100年;而欧洲、北美和前苏联的石油仅可开采不足20年。据估计,今后世界石油消费量的2/3将依靠海湾地区供应。但是,由于长期以来海湾地区政治上的不稳定,将难以保证石油的稳定供应。