矿物能源
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什么是矿物能源[1]
矿物能源又称化石燃料。是指埋藏在地质体内呈自然状态的矿产，需人工开采的能源，如原煤、原油、天然气、油页岩、石煤、铀、钍等。它们是目前人类使用的主要能源。随着人类不断的开发利用而逐渐减少，不能再生。
(1)矿物能源利用的最大问题。它主要表现为污染生态环境， 也是地球温室效应的罪魁祸首。煤炭、石油和天然气在燃烧过程中产生大量的CO2 、SO2 等有毒有害气体，以及粉尘、重金属、灰渣等， 这些可导致人体呼吸系统障碍以及癌症等诸多疾病。矿物燃料还造成酸雨增加， 对人类的生存环境产生了巨大的负面影响。
(2)矿物能源的有限和不可再生。专家们估算， 把目前的各种矿物能源合到一起， 地球上的总储量约为1 万亿吨石油当量。按当今的世界能源消耗水平， 最多再过140 年， 所有能源就会全部用光。能源危机的发生， 增加了人们的忧虑， 甚至由此引发了冲突和战争。以上两点是实现能源生态化和可持续发展的亟待解决的问题。
矿物能源的高效利用与技术革新[2]
从根本上说， 节约能源就是减少能源消耗和提高能源利用效率两个方面。常为人们忽视的是在能源利用过程中， 对所谓“废热” 或称“余热” 的利用问题。
(1)现代联产技术。现代联产技术是在“热电联产” 的基础上发展起来的， 它是指同时生产任何两种或两种以上二次能源的联产技术——— 包括同时生产热水、蒸汽、冷气、电能、机械能、空调能源等。现代联产技术的发展， 对节约能源， 保证和改善生态环境有着重要的意义， 是节能的重要途径之一。现代联产技术是将发电机、配电站、热交换器紧密结合在一起， 以充分利用回收的热水循环使用， 就可使能源利用率提高15% ～ 30% 。这种联产技术效率高、能耗低， 可大量节约燃料， 因而受到人们的青睐。目前， 现代联产技术几乎已在全世界所有工业发达国家中不同程度地推广起来， 收到了很好的效果。设计和构建食品产业生态园区时， 产业园区内的能源利用应充分运用现代联产技术， 合理使用能源和节约能源， 最终实现零排放。
(2)大容量煤粉燃烧器。为了减少燃油发电，而能够更多使用煤炭火力发电， 日本电力研究所研制出火力发电厂“大容量煤粉燃烧器” ， 成功地解决了燃煤锅炉在低功率运行时不能稳定燃烧的难题， 从而扩大了燃煤发电厂或煤- 油并用发电厂的变负荷调整能力， 并可大幅度地节省石油。传统的燃煤发电在低负荷时必须用石油助燃， 才能进行稳定燃烧。所谓“低负荷” 是指燃煤火力发电厂锅炉设备的最低功率为满功率的30% ～ 50% 左右。新型大容量煤粉燃烧器是利用吹进燃烧锅炉的煤粉浓度高容易燃烧的特点， 将浓度稀薄的煤粉流利用输送空气的旋转角度进行浓缩， 从而达到在低负荷下不用石油助燃也能保证稳定燃烧的目的。这套新装置在功率低于20% 时进行试验， 结果证明在不影响整个燃料发电系统正常工作的条件下， 约在16%的极低功率下也可达到稳定燃烧。
(3)燃料电池。所谓“燃料电池”,从原理上讲， 和传统的化学电池基本相同， 也是通过电化学反应把物质的化学能转变为电能。所不同的是： 传统电池的内部物质是事先充填好的， 化学反应结束后， 就不能再供电； 燃料电池进行化学反应所用的物质则是由外部不断充填的， 因此它能够源源不断地发电。燃料电池的工作原理是： 作为反应物的原燃料——— 天然气、石油、甲醇等， 经过“燃料改质装置” 分离出氢后， 进入电池本体， 另一端的空气中的氧也进入电池本体， 分别供给电池的电极， 通过电解质使氢氧发生电化学反应， 产生电位差， 而形成低压直流电输出。燃料电池是将物质的化学能直接转变为电能的， 因此它的效率较高。其独特优点有以下几点： 一是热损耗小， 发电效率高， 燃料电池一般可达到40% ～ 50% ， 最高可望达到60% ～ 70% ， 而且不受负荷变动的影响(目前， 发达国家的火电厂的效率不超过40% ， 我国的燃煤电厂效率才27% ～ 28% ) ； 二是低污染， 燃料电池在发电过程中， 既不需要锅炉、燃烧器等燃烧设备， 也不需要汽轮机等高速旋转设备， 因此既不排放温室效应气体和有毒物质， 也没有噪音干扰； 三是原燃料适应性强， 燃料电池所用燃料可以多种多样， 如煤、油、气等都可以。专家们预测， 随着燃料电池发电技术的进一步突破， 作为新型电源供应系统， 到21 世纪中期， 有可能取代火力发电， 形成强大的燃料电池发电网络，成为重要的二次能源。
(4)高效的换热器。换热器作为传热设备随处可见， 在食品工业中其应用非常普遍。随着能源危机的出现， 各国都将研制开发高效传热器作为节能、增效的有效办法。所开发的换热器的种类越来越多。随着研究的深入，国内外诞生了一批具有代表性的高效换热器和强化传热元件， 高效换热器的使用大大提高了能源的利用率， 从另一层面也缓解了因矿物能源的大量使用而对生态环境产生的威胁。
能源危机出现， 能源价格不断上涨， 特别是石油， 因此提高能源效率已成为解决能源危机的重要途径。“世界资源研究所” 和“国际环境与发展研究所” 联合发表一份报告指出， 每生产1 美元的国民生产总值， 法国耗费的能源最少，为87194J ；中国最多， 高达433944J 。“世界观察研究所” 的研究表明， 若全世界的能源效率每年能提高3% ， 到2010 年时世界燃烧化石燃料的碳排放量为60 亿吨， 可以保持与当前大体相同的水平， 并预言在今后20 年内， 没有任何一种方法能像提高能源利用率那样大幅度减少CO2 的排放量。所以， 能源的高效利用也是解决生态环境问题的重要途径。
(1)水- 煤混合技术。第二次世界大战结束以后， 许多国家开始研究节省石油消费的途径， 很快就开发出来一种“煤- 油混合燃料” (英文缩写为COM) 。这是一种用重油和煤粉混合而成的液体， 烧油锅炉不必动大手术改造就可以使用它， 它可以代油30% ～ 40% 。美国首先起步， 将一座电厂的12 万千瓦级发电机组改烧“COM” ； 我国的一些大学、发电厂也在电站锅炉上进行过工业性实验， 取得了一定成效。但从根本上来说， 这种“COM”技术仍没有脱离对石油的依赖， 代油量不大， 效益不高， 发展推广受到很大限制。20 世纪70 年代末， 在“煤油混合” 原理的启发下， 开始研究“水-煤混合技术” ， 很快就制成了高浓度的代油燃料——— 水煤浆， 即“CWM” 。所谓“水煤浆” ， 就是用70% ～ 75% 的煤粉和25% ～ 30% 的水， 再加入0畅2% ～ 5% 微量的添加剂混合而成的一种液体燃料。它是彻底不用石油的煤炭液化燃料， 它将水掺入煤粉中参与燃烧， 由于水中含有氢， 可起到一定的助燃作用， 但也会使锅炉的效率降低。然而， 从总体上计算， 水煤浆在获取同样热量的情况下， 能大大节省煤炭， 使热值提高很多。
(2)煤炭清洁利用技术。洁净煤技术(CCT) 一词源于美国， 它是指减少污染和提高效率的煤炭加工、燃烧、转换和污染控制新技术的总称。该技术可粗分为煤的燃前技术、煤的燃中技术、煤的燃后技术、煤的转化技术和煤系共伴生资源利用及有关技术等五类。
洁净煤技术包括煤炭使用过程各个环节的净化和防治技术。在当今世界， 煤炭仍是使用量最大的能源， 如果煤炭燃烧能够实现洁净燃烧， 对解决生态环境具有极其重要的意义。因此， 洁净煤技术是当前世界各国解决环境问题的主导技术之一， 也是高技术国际竞争的一个重要领域。
(3) 煤炭液化、气化技术。煤炭的液化、气化技术就是把煤转化为另一种燃料形式， 即气体和液体燃料。该技术是洁净煤技术之一， 可部分替代石油、天然气， 在生态环境安全方面具有重要的意义。目前， 煤液化的主要方法有直接液化和间接液化两类。直接液化是把煤直接转化成液体燃料产品。将煤在高温高压下与氢反应， 使其降解和加氢， 从而转化为液体油类(如汽油、柴油、航空燃料和化工原料等) 的工艺称为加氢液化。一般情况下，1 吨无水无灰煤能转化成0畅5 吨液化油。煤的间接液化是指以煤为原料， 先气化制成合成气， 然后通过催化剂作用将合成气转化成烃类燃料、醇类燃料和化学品的过程。例如， 德国研究的新一代煤炭高压加氢液化工艺， 每天处理煤200 吨， 产轻油30 吨， 中油70 吨， 液化气20 吨， 煤炭转化率竟高达94% 。另外， 它的温室效应物质， 特别是煤灰尘排放量大量减少， 又可像石油一样运输和储存， 因而很受欢迎， 国外有人把它誉为“6 号重油” 。这种新兴燃料的使用不失为一条可取的节能之路。煤炭气化是一种热化学过程，通常是在空气、蒸汽或氧等作为气化介质的情况下， 在煤气发生炉中将煤加热到足够的温度， 与气化介质发生化学反应， 生成一氧化碳、氢和甲烷等可燃的混合气体即煤气。煤炭直接燃烧的热利用效率一般为15% ～ 18% ， 而气化后热利用效率可达55% ～ 60% 。另外， 煤气具有运输和使用方便、减轻环境污染等优点。
(1)核能。核能的和平利用， 目前主要是用于发电。核电站和燃煤电厂相比虽具有对生态环境污染小、核燃料运输量少的优势， 但必须解决好核反应和核三废(放射性废水、放射性废气和放射性固体废物) 的安全问题， 否则会造成不可挽回的损失。我国核电发展起步晚， 而且发展慢。1991 年秦山一期30 万千瓦的核电项目并网发电， 结束了我国无核电的历史。1994 年大亚湾核电站两台百万千瓦级的大型核电机组先后投入运行， 使核电在我国电力结构中有了一席之地(在我国电力能源中占1% 略强)。“九五” 是我国核电快速发展的时期， 共有4 个核电项目(岭澳、秦山二期、秦山三期和连云港) ， 8 台核电机组先后开工建设， 投入运行后我国的核电总装机容量达到886 万千瓦。预计我国核电在21 世纪将会有较大发展， 到2040 年全国核电装机总容量达到5000 万千瓦～ 6000 万千瓦， 使核电真正成为我国电力能源中的重要组成部分。
(2)煤层气。煤层气俗称煤矿瓦斯， 是与煤伴生的， 以吸附状态储存于煤层及其周围岩层中的一种典型非常规天然气。煤层气是一种优质洁净高效的气体能源， 成分与天然气基本相同， 天然气含CH4 大于95% ，其余为N2 、CO2 等， 基本上不含S 。燃烧后， 与煤相比所产生的灰分为1/148 ，SO2 为1/700 ， CO2 为3/5 。我国埋藏在2000m 以下的煤层气资源为30 万亿立方米～ 35 万亿立方米， 相当于450 亿吨标准煤， 与我国的天然气资源量相当。但长期以来， 我国每年有13 亿立方米煤层气作为有害气体排入大气， 成为温室效应气体。此外， 煤层气可与天然气共享输气管网， 作为洁净能源， 对改善我国能源消费结构有巨大的作用。
(3)可燃冰。可燃冰是天然气水合物的俗称， 也称气冰或固体瓦斯。可燃冰是由甲烷和水形成的水合物， 在低温高压环境下， 甲烷被包进水分子中， 形成一种冰冷的白色透明结晶， 外貌极像冰雪或固体酒精， 其能量密度高、分布广， 经测试1m3 可燃冰可释放出164m3 甲烷气体。可燃冰于20世纪40年代被发现， 是存在于海洋和冻土带的新型洁净资源。据估计， 海底可燃冰分布的范围约占海洋总面积的10% ， 相当于4000 万平方公里， 资源量约为7.6 × 1018m3 ， 是迄今为止海底最具价值的矿产资源； 永久冻土区资源量1畅4 × 1013 m3 ～ 3.4 × 1016m3 ， 全球所含有机碳的总资源量相当于已知煤、石油和天然气的2 倍， 足够人类使用1000 年。此外， 许多天体里也存在天然气水合物， 已在土星、天王星和哈雷彗星上发现。我国可燃冰的研究虽起步较晚， 但发展较迅速， 第一口钻井预计在2020 年可进行开采。天燃冰可能会成为21 世纪清洁的新能源。
