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 頁巖油與油砂,係因遠古時代動、植物死亡後演變而來其種類包含了煤、石油、天然氣、少量的頁巖油及油砂，直到今日，化石燃料仍佔商業(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年世界初級能源推估，至2004年底全球石油蘊藏量約可維持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,初級能源蘊藏量,蘊藏量係指已被發(fā)現(xiàn)且可利用當今技術(shù)開採而獲利的物質(zhì)或能源,資源乃包括以當今科技、當今價格應(yīng)可開採但仍未發(fā)現(xiàn)的其他原料之估計量，以及將藉未來科技、可能較高的未來價格開採的已發(fā)現(xiàn)與待發(fā)現(xiàn)的物資,3-1　化石燃料資源,蘊藏量和資源,剛開始發(fā)現(xiàn)新能源時，由於價廉及開採容易，因此燃

3、料的產(chǎn)出以指數(shù)形式成長。但當燃料的使用達最大值後，由於價格的上升、替代燃料的成長及開採困難度增加等因素，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。遠古時代巨大沼澤區(qū)上長滿了各種植物如蕨類、灌木類、藤類、樹木及藻類等，當這些植物長大後又傾倒在沼澤上時，有機物質(zhì)中的煤元素乃逐漸累積於沼澤底

4、部。剛開始時，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)而進行厭氧反應(yīng) (anaerobic reaction)。換言之，煤的形成是由於大量的有機物質(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) 測量，藉由熱卡計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LHV。,煤形成過程第一階段轉(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。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。無煙煤:碳含量約90% 左右，最高可達95%，而水分則僅約3%左右，且硫份及灰份也低。無煙煤為最硬之煤，熱質(zhì)約14,000 Btu/lb。,3-2　煤,煤的分類,3-2　煤,全球煤炭蘊藏量之估計值,3-2　煤,煤的分類,3-2　煤,美國ASTM分類表,,3-2　煤,,煤炭等級與用途,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,臺灣煤炭進口地區(qū)分布圖,石油的生成 石油是由有機物質(zhì)在古地質(zhì)年代沉積而成。據(jù)推測，約在數(shù)億年前，大量的浮游生物及動植物 ( 如藍、綠海藻類等單細胞植物及有孔蟲類等單細胞動物 ) 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，進而形成沈積盆地。這些埋藏在沈積盆地內(nèi)的動植物殘骸，在缺氧環(huán)境下經(jīng)細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，溫度與壓力也相對提高，經(jīng)過數(shù)百萬年後，有機物逐漸受熱裂解出油氣。,3-3　石油,沈積盆地形成後，長期受無數(shù)次的地殼運動，會產(chǎn)生各種不同的地質(zhì)構(gòu)造。一個良好的儲存油氣的封閉構(gòu)造，除應(yīng)具有良好的孔隙率及滲透率的儲油層外，此儲油層的上方必須有緻密不透油、氣、水的巖層，如頁巖、泥巖等，即所謂的蓋層，其

11、作用為封蓋住進來的油氣，不讓油氣向上逃逸。一般常見的儲油氣封閉構(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)，未來探勘的目標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」、「地球物理測勘」及「地球化學(xué)測勘」等方法。地球物理測勘是應(yīng)用物理學(xué)原理和方法，測定巖石的物理性質(zhì)變化，一般分為「重力測勘」及「震波測勘」。目前最

12、常用也較精確的一種方法是震波測勘，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，由其震波傳遞回來的時間可推算巖層之深度及厚度，從而測繪出各地層的地下地質(zhì)構(gòu)造。地球化學(xué)測勘是藉生油巖評估及生油巖與油氣對比，推測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。當然，地面上的勘查僅能指出利於石油積聚於地下巖層的條件，目前唯一能確認油氣儲存仍需仰賴鑽井 。,3-3　石油,全球石油蘊藏量之估計值

13、,3-3　石油,石油開採,3-3　石油,石油開採,3-3　石油,依開採的程度分成:一級或初級開採 (primary recovery)、二級開採(secondary recovery)及三級開採(tertiary recovery)。,石油開採,3-3　石油,初級開採：油井開採之初，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、開採可吸出地下油田15% 左右的石油。二級開採：乃注入水使地下油田增壓而吸出石油，此時約可再抽出20% 左右的石油，仍有約三分之二的石油儲存於地下。三級開採：又稱為「加強石油開採」，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氣，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制石油離開油田。三級開採約可再抽出油田中原有石油儲量的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，最終達到平衡，此時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此項技術(shù)提高原油之汽油產(chǎn)率，同時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。　　於1930年代和第二次世界大戰(zhàn)期間，由於觸媒的引進，使產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量得到進一步的改進和提高?，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,烷類碳氫化合物（CnH2n+2）之主要用途,3-3　石油,臺灣原油進口地區(qū)分布圖,3-3　石油,3-3　石油,天然氣天然氣生成過程和石油一樣，也是由於原始物質(zhì)經(jīng)過連續(xù)的變質(zhì)階段，隨後被積聚和捕集於氣

18、層中。它的大部份組分來自沉積巖中的有積物質(zhì)，其他組分則來自純無機物質(zhì)，主要成份為甲烷。天然氣依其原始蘊藏狀態(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)開採原油時伴隨而出，則稱為伴生氣。反之，如果一儲區(qū)中僅有天然氣產(chǎn)出而無原油，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,全球主要天然氣蘊藏量

19、之估計值,從氣井出來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，氣體需要進行加工使其符合使用標準，同時可回收比氣體本身價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的烴

20、類。,3-4　天然氣,天然氣的運輸方式取決於其型態(tài)，氣態(tài)可在高壓下用管道運輸，而液態(tài)則可用船運輸。由於產(chǎn)出之天然氣為氣態(tài)，在某些情況下並不利於儲存及運送，工業(yè)上常把礦區(qū)出產(chǎn)的天然氣冷凍至零下1620C，使其成為一種無色、無臭的液體，體積也縮減為氣態(tài)時的六百分之一左右，以便於儲存及越洋運送，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、具特殊冷

21、凍功能的油輪運送到買方接收站，並經(jīng)由卸料臂送到低溫儲槽儲存。使用時，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,天然氣的運輸,3-4　天然氣,3-4　天然氣,臺灣液化天然氣進口地區(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,巖頁油為自油頁巖中提煉出的油品。油頁巖為暗色細粒的老沉

22、積巖，富有固態(tài)的有機物或碳氫化合物稱為油母質(zhì)，經(jīng)過處理之後可產(chǎn)生類似石油類的原油。油頁巖乃數(shù)百萬年前古代植物及水生動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)變成含有碳氫化合物的巖石。,3-5　頁巖油與油砂,巖頁油(Shale Oil),3-5　頁巖油與油砂,巖頁油(Shale Oil),3-5　頁巖油與油砂,目前已知全球油頁巖的資源極為豐富，相當於約5兆桶

23、的原油。在此數(shù)量中，美國的格林河層粗估有0.6到2兆桶的蘊藏量，比美國原油的蘊藏量還豐富。格林河層面積達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) 並涵蓋四個主要盆地。,一般而言，1公噸油頁巖中含原油量約在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巖。頁巖油的提煉過程為相當簡單，油頁巖採出後先將

24、其壓碎 (crush)，而後再加熱至330至4800C之間，以釋放出油頁巖內(nèi)的油母質(zhì)成份使成為碳氫化合物的蒸氣，而殘餘物質(zhì)則是類似焦炭的固體，此一過程稱為蒸餾 (retorting)，之後將蒸氣冷卻就可得到油和氣。,3-5　頁巖油與油砂,頁巖油的提煉,開採過程，由於油頁巖深埋在地底下，為得到油頁巖必須先去除礦場的覆蓋層，此即為一花費昂貴的程序。 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。當油頁巖經(jīng)蒸餾取出碳氫化合物

25、後，其體積將膨脹而增加約35% 左右，因此無法單純地將用過後的油頁巖棄置於原來開採後遺留下的場址，必須另覓廢棄物的廢置廠。 從油頁巖中產(chǎn)出1公升的油需要3公升的水，若以格林河層為油頁巖的開發(fā)對象，由於當?shù)貥O為乾燥，因此水資源的取用將是一大問題。,3-5　頁巖油與油砂,阻礙油頁巖開採的因素,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，尚含有似焦油的碳氫化合物，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，再以浮選法分出瀝青。現(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之碳氫化合物 )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)，此時即可進行煉製。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年以來即付出許多的努力以開採油砂及提煉合成原油，但至近年來技術(shù)的演進才將開發(fā)的成本降至值得開採的地步並獲利。1960年代開採油砂中的油，每桶成本約要30美元。至1995年時，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　頁巖油與油砂,油砂(Tar Oil),3-5　頁巖油與油砂,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