礦物能源
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什麼是礦物能源[1]
礦物能源又稱化石燃料。是指埋藏在地質體內呈自然狀態的礦產，需人工開采的能源，如原煤、原油、天然氣、油頁岩、石煤、鈾、釷等。它們是目前人類使用的主要能源。隨著人類不斷的開發利用而逐漸減少，不能再生。
(1)礦物能源利用的最大問題。它主要表現為污染生態環境， 也是地球溫室效應的罪魁禍首。煤炭、石油和天然氣在燃燒過程中產生大量的CO2 、SO2 等有毒有害氣體，以及粉塵、重金屬、灰渣等， 這些可導致人體呼吸系統障礙以及癌症等諸多疾病。礦物燃料還造成酸雨增加， 對人類的生存環境產生了巨大的負面影響。
(2)礦物能源的有限和不可再生。專家們估算， 把目前的各種礦物能源合到一起， 地球上的總儲量約為1 萬億噸石油當量。按當今的世界能源消耗水平， 最多再過140 年， 所有能源就會全部用光。能源危機的發生， 增加了人們的憂慮， 甚至由此引發了衝突和戰爭。以上兩點是實現能源生態化和可持續發展的亟待解決的問題。
礦物能源的高效利用與技術革新[2]
從根本上說， 節約能源就是減少能源消耗和提高能源利用效率兩個方面。常為人們忽視的是在能源利用過程中， 對所謂“廢熱” 或稱“餘熱” 的利用問題。
(1)現代聯產技術。現代聯產技術是在“熱電聯產” 的基礎上發展起來的， 它是指同時生產任何兩種或兩種以上二次能源的聯產技術——— 包括同時生產熱水、蒸汽、冷氣、電能、機械能、空調能源等。現代聯產技術的發展， 對節約能源， 保證和改善生態環境有著重要的意義， 是節能的重要途徑之一。現代聯產技術是將發電機、配電站、熱交換器緊密結合在一起， 以充分利用回收的熱水迴圈使用， 就可使能源利用率提高15% ～ 30% 。這種聯產技術效率高、能耗低， 可大量節約燃料， 因而受到人們的青睞。目前， 現代聯產技術幾乎已在全世界所有工業發達國家中不同程度地推廣起來， 收到了很好的效果。設計和構建食品產業生態園區時， 產業園區內的能源利用應充分運用現代聯產技術， 合理使用能源和節約能源， 最終實現零排放。
(2)大容量煤粉燃燒器。為了減少燃油發電，而能夠更多使用煤炭火力發電， 日本電力研究所研製出火力發電廠“大容量煤粉燃燒器” ， 成功地解決了燃煤鍋爐在低功率運行時不能穩定燃燒的難題， 從而擴大了燃煤發電廠或煤- 油並用發電廠的變負荷調整能力， 並可大幅度地節省石油。傳統的燃煤發電在低負荷時必須用石油助燃， 才能進行穩定燃燒。所謂“低負荷” 是指燃煤火力發電廠鍋爐設備的最低功率為滿功率的30% ～ 50% 左右。新型大容量煤粉燃燒器是利用吹進燃燒鍋爐的煤粉濃度高容易燃燒的特點， 將濃度稀薄的煤粉流利用輸送空氣的旋轉角度進行濃縮， 從而達到在低負荷下不用石油助燃也能保證穩定燃燒的目的。這套新裝置在功率低於20% 時進行試驗， 結果證明在不影響整個燃料發電系統正常工作的條件下， 約在16%的極低功率下也可達到穩定燃燒。
(3)燃料電池。所謂“燃料電池”,從原理上講， 和傳統的化學電池基本相同， 也是通過電化學反應把物質的化學能轉變為電能。所不同的是： 傳統電池的內部物質是事先充填好的， 化學反應結束後， 就不能再供電； 燃料電池進行化學反應所用的物質則是由外部不斷充填的， 因此它能夠源源不斷地發電。燃料電池的工作原理是： 作為反應物的原燃料——— 天然氣、石油、甲醇等， 經過“燃料改質裝置” 分離出氫後， 進入電池本體， 另一端的空氣中的氧也進入電池本體， 分別供給電池的電極， 通過電解質使氫氧發生電化學反應， 產生電位差， 而形成低壓直流電輸出。燃料電池是將物質的化學能直接轉變為電能的， 因此它的效率較高。其獨特優點有以下幾點： 一是熱損耗小， 發電效率高， 燃料電池一般可達到40% ～ 50% ， 最高可望達到60% ～ 70% ， 而且不受負荷變動的影響(目前， 發達國家的火電廠的效率不超過40% ， 我國的燃煤電廠效率才27% ～ 28% ) ； 二是低污染， 燃料電池在發電過程中， 既不需要鍋爐、燃燒器等燃燒設備， 也不需要汽輪機等高速旋轉設備， 因此既不排放溫室效應氣體和有毒物質， 也沒有噪音干擾； 三是原燃料適應性強， 燃料電池所用燃料可以多種多樣， 如煤、油、氣等都可以。專家們預測， 隨著燃料電池發電技術的進一步突破， 作為新型電源供應系統， 到21 世紀中期， 有可能取代火力發電， 形成強大的燃料電池發電網路，成為重要的二次能源。
(4)高效的換熱器。換熱器作為傳熱設備隨處可見， 在食品工業中其應用非常普遍。隨著能源危機的出現， 各國都將研製開發高效傳熱器作為節能、增效的有效辦法。所開發的換熱器的種類越來越多。隨著研究的深入，國內外誕生了一批具有代表性的高效換熱器和強化傳熱元件， 高效換熱器的使用大大提高了能源的利用率， 從另一層面也緩解了因礦物能源的大量使用而對生態環境產生的威脅。
能源危機出現， 能源價格不斷上漲， 特別是石油， 因此提高能源效率已成為解決能源危機的重要途徑。“世界資源研究所” 和“國際環境與發展研究所” 聯合發表一份報告指出， 每生產1 美元的國民生產總值， 法國耗費的能源最少，為87194J ；中國最多， 高達433944J 。“世界觀察研究所” 的研究表明， 若全世界的能源效率每年能提高3% ， 到2010 年時世界燃燒化石燃料的碳排放量為60 億噸， 可以保持與當前大體相同的水平， 並預言在今後20 年內， 沒有任何一種方法能像提高能源利用率那樣大幅度減少CO2 的排放量。所以， 能源的高效利用也是解決生態環境問題的重要途徑。
(1)水- 煤混合技術。第二次世界大戰結束以後， 許多國家開始研究節省石油消費的途徑， 很快就開發出來一種“煤- 油混合燃料” (英文縮寫為COM) 。這是一種用重油和煤粉混合而成的液體， 燒油鍋爐不必動大手術改造就可以使用它， 它可以代油30% ～ 40% 。美國首先起步， 將一座電廠的12 萬千瓦級發電機組改燒“COM” ； 我國的一些大學、發電廠也在電站鍋爐上進行過工業性實驗， 取得了一定成效。但從根本上來說， 這種“COM”技術仍沒有脫離對石油的依賴， 代油量不大， 效益不高， 發展推廣受到很大限制。20 世紀70 年代末， 在“煤油混合” 原理的啟發下， 開始研究“水-煤混合技術” ， 很快就製成了高濃度的代油燃料——— 水煤漿， 即“CWM” 。所謂“水煤漿” ， 就是用70% ～ 75% 的煤粉和25% ～ 30% 的水， 再加入0暢2% ～ 5% 微量的添加劑混合而成的一種液體燃料。它是徹底不用石油的煤炭液化燃料， 它將水摻入煤粉中參與燃燒， 由於水中含有氫， 可起到一定的助燃作用， 但也會使鍋爐的效率降低。然而， 從總體上計算， 水煤漿在獲取同樣熱量的情況下， 能大大節省煤炭， 使熱值提高很多。
(2)煤炭清潔利用技術。潔凈煤技術(CCT) 一詞源於美國， 它是指減少污染和提高效率的煤炭加工、燃燒、轉換和污染控制新技術的總稱。該技術可粗分為煤的燃前技術、煤的燃中技術、煤的燃後技術、煤的轉化技術和煤系共伴生資源利用及有關技術等五類。
潔凈煤技術包括煤炭使用過程各個環節的凈化和防治技術。在當今世界， 煤炭仍是使用量最大的能源， 如果煤炭燃燒能夠實現潔凈燃燒， 對解決生態環境具有極其重要的意義。因此， 潔凈煤技術是當前世界各國解決環境問題的主導技術之一， 也是高技術國際競爭的一個重要領域。
(3) 煤炭液化、氣化技術。煤炭的液化、氣化技術就是把煤轉化為另一種燃料形式， 即氣體和液體燃料。該技術是潔凈煤技術之一， 可部分替代石油、天然氣， 在生態環境安全方面具有重要的意義。目前， 煤液化的主要方法有直接液化和間接液化兩類。直接液化是把煤直接轉化成液體燃料產品。將煤在高溫高壓下與氫反應， 使其降解和加氫， 從而轉化為液體油類(如汽油、柴油、航空燃料和化工原料等) 的工藝稱為加氫液化。一般情況下，1 噸無水無灰煤能轉化成0暢5 噸液化油。煤的間接液化是指以煤為原料， 先氣化製成合成氣， 然後通過催化劑作用將合成氣轉化成烴類燃料、醇類燃料和化學品的過程。例如， 德國研究的新一代煤炭高壓加氫液化工藝， 每天處理煤200 噸， 產輕油30 噸， 中油70 噸， 液化氣20 噸， 煤炭轉化率竟高達94% 。另外， 它的溫室效應物質， 特別是煤灰塵排放量大量減少， 又可像石油一樣運輸和儲存， 因而很受歡迎， 國外有人把它譽為“6 號重油” 。這種新興燃料的使用不失為一條可取的節能之路。煤炭氣化是一種熱化學過程，通常是在空氣、蒸汽或氧等作為氣化介質的情況下， 在煤氣發生爐中將煤加熱到足夠的溫度， 與氣化介質發生化學反應， 生成一氧化碳、氫和甲烷等可燃的混合氣體即煤氣。煤炭直接燃燒的熱利用效率一般為15% ～ 18% ， 而氣化後熱利用效率可達55% ～ 60% 。另外， 煤氣具有運輸和使用方便、減輕環境污染等優點。
(1)核能。核能的和平利用， 目前主要是用於發電。核電站和燃煤電廠相比雖具有對生態環境污染小、核燃料運輸量少的優勢， 但必須解決好核反應和核三廢(放射性廢水、放射性廢氣和放射性固體廢物) 的安全問題， 否則會造成不可輓回的損失。我國核電發展起步晚， 而且發展慢。1991 年秦山一期30 萬千瓦的核電項目並網發電， 結束了我國無核電的歷史。1994 年大亞灣核電站兩台百萬千瓦級的大型核電機組先後投入運行， 使核電在我國電力結構中有了一席之地(在我國電力能源中占1% 略強)。“九五” 是我國核電快速發展的時期， 共有4 個核電項目(嶺澳、秦山二期、秦山三期和連雲港) ， 8 台核電機組先後開工建設， 投入運行後我國的核電總裝機容量達到886 萬千瓦。預計我國核電在21 世紀將會有較大發展， 到2040 年全國核電裝機總容量達到5000 萬千瓦～ 6000 萬千瓦， 使核電真正成為我國電力能源中的重要組成部分。
(2)煤層氣。煤層氣俗稱煤礦瓦斯， 是與煤伴生的， 以吸附狀態儲存於煤層及其周圍岩層中的一種典型非常規天然氣。煤層氣是一種優質潔凈高效的氣體能源， 成分與天然氣基本相同， 天然氣含CH4 大於95% ，其餘為N2 、CO2 等， 基本上不含S 。燃燒後， 與煤相比所產生的灰分為1/148 ，SO2 為1/700 ， CO2 為3/5 。我國埋藏在2000m 以下的煤層氣資源為30 萬億立方米～ 35 萬億立方米， 相當於450 億噸標準煤， 與我國的天然氣資源量相當。但長期以來， 我國每年有13 億立方米煤層氣作為有害氣體排入大氣， 成為溫室效應氣體。此外， 煤層氣可與天然氣共用輸氣管網， 作為潔凈能源， 對改善我國能源消費結構有巨大的作用。
(3)可燃冰。可燃冰是天然氣水合物的俗稱， 也稱氣冰或固體瓦斯。可燃冰是由甲烷和水形成的水合物， 在低溫高壓環境下， 甲烷被包進水分子中， 形成一種冰冷的白色透明結晶， 外貌極像冰雪或固體酒精， 其能量密度高、分佈廣， 經測試1m3 可燃冰可釋放出164m3 甲烷氣體。可燃冰於20世紀40年代被髮現， 是存在於海洋和凍土帶的新型潔凈資源。據估計， 海底可燃冰分佈的範圍約占海洋總面積的10% ， 相當於4000 萬平方公裡， 資源量約為7.6 × 1018m3 ， 是迄今為止海底最具價值的礦產資源； 永久凍土區資源量1暢4 × 1013 m3 ～ 3.4 × 1016m3 ， 全球所含有機碳的總資源量相當於已知煤、石油和天然氣的2 倍， 足夠人類使用1000 年。此外， 許多天體里也存在天然氣水合物， 已在土星、天王星和哈雷彗星上發現。我國可燃冰的研究雖起步較晚， 但發展較迅速， 第一口鑽井預計在2020 年可進行開采。天燃冰可能會成為21 世紀清潔的新能源。
