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 頁岩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、少量的頁岩油及油砂，直到今日，化石燃料仍佔商業上能源資源的90%左右，其重要性可見一般。3-1化石燃料資源化石燃料化石燃料根據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(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十年內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初級能源蘊藏量蘊藏量產量供應年限石油11
2、886 億桶8026 萬桶/日40.6天然氣179.53 兆m32.6916 兆m3/年66.7煤炭9090.64 億公噸27.321 億公噸/年332.7蘊藏量係指已被發現且可利用當今技術開採而獲利的物質或能源 資源乃包括以當今科技、當今價格應可開採但仍未發現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現與待發現的物資 3-1化石燃料資源蘊藏量和資源蘊藏量和資源剛開始發現新能源時，由於價廉及開採容易，因此燃料的產出以指數形式成長。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，致使該燃料的產量逐漸下滑。3-1化石燃料資源鐘形生產曲線鐘形生
3、產曲線3-1化石燃料資源美國天然氣產出及鐘形生產曲線分佈情形美國天然氣產出及鐘形生產曲線分佈情形3-2煤煤的生成煤的生成煤的產生，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，有機物質中的煤元素乃逐漸累積於沼澤底部。剛開始時，死亡的植物經歷了好氧反應(aerobic reaction)而產生二氧化碳、甲烷及其他氣體。之後，由於深埋地下而未暴露空氣中，續而進行厭氧反應(anaerobic reaction)。換言之，煤的形成是由於大量的有機物質緩慢分解及化學轉換的結果。3-2煤煤的基本特性煤的基本特
4、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)、揮發分(volatile matter)、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量反應後釋放之熱量；其又分成高位發熱值(higher heating value,HHV)與低位發熱值(lower heating value,LHV)。HHV與LHV的差異在於，當燃料反應後的水分最終狀態為液態，則釋放之熱量為HHV；反之若水分最終狀態為氣態，則為LHV。煤形成過程第一階段轉變成泥煤，但泥
5、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。1.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。揮發物含量高及反應性佳則是其優點。2.亞煙煤:亞煙煤的水分為1530%，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、揮發性高、具結塊性、且硫份及灰份少。3.煙煤:是最豐富的煤種，碳含量則約5070%。煙煤的熱質介於11,000到15,000 But/lb之間。4.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，熱質約
6、14,000 Btu/lb。3-2煤煤的分類煤的分類3-2煤全球煤炭蘊藏量之估計值全球煤炭蘊藏量之估計值3-2煤煤的分類煤的分類3-2煤美國美國ASTMASTM分類表分類表分類分類標準(區分)無煙煤(Anthracitic)無煙煤(Anthracite)固定碳(9298)揮發物(28)高級煤亞無煙煤(Meta-Anthracite)固定碳(98)揮發物(2)半無煙煤(Semi-Anthracite)固定碳(8692)揮發物(814)煙煤(Bituminous)低揮發煙煤(Low volatile bituminous)固定碳(7886)揮發物(1422)中揮發煙煤(Medium volatil
7、e bituminous)固定碳(6978)揮發物(2231)高揮發煙煤A(High volatile bituminous A)固定碳少於69 揮發物高於31熱值(Btu/lb)14000以上高揮發煙煤B(High volatile bituminous B)熱值(Btu/lb)1300014000高揮發煙煤C(High volatile bituminous C)熱值(Btu/lb)1100013000亞煙煤(Subbituminous)亞煙煤 A(Subbituminous A)熱值(Btu/lb)1000011000低級煤亞煙煤B(Subbituminous B)熱值(Btu/lb)9
8、50011000亞煙煤 C(Subbituminous C)熱值(Btu/lb)800095000褐煤(Lignite)褐煤(Lignite)熱值(Btu/lb)8300(有聚合性)棕煤(Brown Coal)熱值(Btu/lb)8300(無聚合性)3-2煤ClassC(%)H(%)USESAnthracite無煙煤93-953.80-2.80工業燃料Semi anthracite半無煙煤91-934.25-3.80Sub bituminous亞煙煤80-915.60-4.25電力工業鋼鐵業Bituminous煙煤75-805.60-5.10Lignite褐煤60-755.70-5.00電力煤
9、炭等級與用途煤炭等級與用途 煤的利用煤的利用 1.燃燒 燃燒為將煤置於高溫環境中，在充足氧化劑的條件下把煤炭破壞而轉化成二氧化碳及水，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以產生富燃料氣體，產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，氣化之產物尚包括了焦油及硫化物(如H2S、COS及CS2)等。3-2煤OHmnCOOmnHCmn22224燃燒反應 煤的利用煤的利用 3.液化 液化乃是高溫及高壓的環境中將固態煤炭轉變類似原油的液體產物的方法。而產生的液態燃料經由蒸餾
10、後，即可得到汽油及煤油等。3-2煤2222HmnCOOnHCmn氣化反應 Water-gas reaction kmolmJHHCOOHCRgs/4.13102)(2)(Shift reaction kmolmJHHCOOHCORg/0.41022)(23-2煤台灣煤炭進口地區分布圖台灣煤炭進口地區分布圖石油的生成石油的生成 石油是由有機物質在古地質年代沉積而成。據推測，約在數億年前，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，使得該地區持續下陷，進而形成沈積盆地。這些埋藏在沈積盆地內的動植物殘骸，在缺氧
11、環境下經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，經過數百萬年後，有機物逐漸受熱裂解出油氣。3-3石油沈積盆地形成後，長期受無數次的地殼運動，會產生各種不同的地質構造。一個良好的儲存油氣的封閉構造，除應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、水的岩層，如頁岩、泥岩等，即所謂的蓋層，其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造依其型態可分為構造封閉(如背斜及斷層等)、地層封閉及聯合封閉。目前大多數的油氣田都在構造封閉內發現，因其最易發現，未來探勘的目標將指向地層封閉及聯合封閉。3-3石油石油的探勘石油
12、的探勘 常用的方法有地質調查、地球物理測勘及地球化學測勘等方法。地球物理測勘是應用物理學原理和方法，測定岩石的物理性質變化，一般分為重力測勘及震波測勘。目前最常用也較精確的一種方法是震波測勘，其乃利用地下各種岩層具有不同之彈性與密度，震波傳導的速度因而有快慢之別，且能產生反射現象，由其震波傳遞回來的時間可推算岩層之深度及厚度，從而測繪出各地層的地下地質構造。地球化學測勘是藉生油岩評估及生油岩與油氣對比，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岩層的條件，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全球石油蘊
13、藏量之估計值3-3石油石油開採石油開採 3-3石油石油開採石油開採 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：
14、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岩石外。第三種方法則是使用化學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。分餾的操作原理為將原油打入加熱爐內，按不同的原油種類和產品加熱到400左右，蒸氣和未蒸發的油進入分餾塔，分餾塔為圓柱形，內有數十塊塔板。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的塔板上
15、，最重的組分則處在最低的塔板上。3-3石油石油分餾石油分餾3-3石油石油分餾石油分餾原油經分餾後，僅能獲得20到25%的汽油，其數量不僅未能應付急速發展的交通事業需要，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提高原油之汽油產率，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品，例如從煤油和重餾分油生產汽油。於1930年代和第二次世界大戰期間，由於觸媒的引進，使產品的質量和產量得到進一步的改進和提高。現在重餾分油的觸媒裂煉是生產石油的最重要過程之一，使用觸媒催化
16、反應可以在比熱裂煉緩和得多的條件下，得到更高的產率和質量，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石油石油蒸餾後產物石油蒸餾後產物分餾物分餾物分子大小分子大小沸點沸點()用途用途瓦斯C1C5-16530氣態燃料石油醚C5C73090溶劑汽油C5C1230200汽車用油煤油C12C16175275煤油引擎、噴射機用油燃料油C15C18高至375工業爐用油潤滑油C16C20350以上機件潤滑油脂(Grease)C18以上半固體機件潤滑石蠟C20以上5257之間融化蠟燭瀝青甚高鍋爐殘餘物屋頂及道路鋪面3-3石油烷類碳氫化合物（烷類碳氫化合物（C Cn nH
17、H2n+22n+2）之主要用途）之主要用途 n n分子式分子式名稱名稱主要用途主要用途1CH4甲烷天然氣2C2H6乙烷天然氣3C3H8丙烷桶裝液化瓦斯4C4H10丁烷桶裝液化瓦斯5C5H12戊烷汽油6C6H14己烷汽油7C7H16庚烷汽油8C8H18辛烷汽油3-3石油台灣原油進口地區分布圖台灣原油進口地區分布圖3-3石油3-3石油天然氣天然氣天然氣生成過程和石油一樣，也是由於原始物質經過連續的變質階段，隨後被積聚和捕集於氣層中。它的大部份組分來自沉積岩中的有積物質，其他組分則來自純無機物質，主要成份為甲烷。天然氣依其原始蘊藏狀態，可分為構造性天然氣、水溶性天然氣、煤礦天然氣等三種，而構造性天然
18、氣又可分為伴生氣與非伴生氣兩種。若天然氣的產生是在礦區開採原油時伴隨而出，則稱為伴生氣。反之，如果一儲區中僅有天然氣產出而無原油，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之估計值全球主要天然氣蘊藏量之估計值 從氣井出來的天然氣一般不能直接應用，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生冷凝液，除去冷凝液的氣體並用乙二醇脫水；(2)
19、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類。3-4天然氣天然氣的運輸方式取決於其型態，氣態可在高壓下用管道運輸，而液態則可用船運輸。由於產出之天然氣為氣態，在某些情況下並不利於儲存及運送，工業上常把礦區出產的天然氣冷凍至零下1620C，使其成為一種無色、無臭的液體，體積也縮減為氣態時的六百分之一左右，以便於儲存及越洋運送，此液態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，必須用專門設計、具特殊冷凍功能的油輪運送到買方接收站，並經由卸料臂送到低溫儲槽儲存。使用時，藉由海水汽
20、化裝置，可將液態天然氣復原為常溫氣態，然後經由長途輸送管線，將天然氣輸送到發電廠、工廠及家庭用戶使用。3-4天然氣天然氣的運輸天然氣的運輸 3-4天然氣3-4天然氣台灣液化天然氣進口地區分布圖台灣液化天然氣進口地區分布圖3-4天然氣化石燃料煤炭石油天然氣CO2208,000164,000117,000NOx45744892SO22,5911,1220.6粒狀污染物 2,744847燃燒煤炭、石油及天然氣所產生溫室氣體及燃燒煤炭、石油及天然氣所產生溫室氣體及主要污染物比較主要污染物比較 (lb/10(lb/106 6 Btu)Btu)3-4天然氣岩頁油為自油頁岩中提煉出的油品。油頁岩為暗色細粒的
21、老沉積岩，富有固態的有機物或碳氫化合物稱為油母質，經過處理之後可產生類似石油類的原油。油頁岩乃數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，而把這些沉積物轉變成含有碳氫化合物的岩石。3-5頁岩油與油砂岩頁油岩頁油(Shale Oil)3-5頁岩油與油砂岩頁油岩頁油(Shale Oil)3-5頁岩油與油砂目前已知全球油頁岩的資源極為豐富，相當於約5兆桶的原油。在此數量中，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
22、他州(Utah)及懷俄明州(Wyoming)並涵蓋四個主要盆地。一般而言，1公噸油頁岩中含原油量約在1桶(即159公升)左右，以目前的技術可回收其中近九成，若每公噸產量在40公升以下，通常就不能稱為油頁岩。頁岩油的提煉過程為相當簡單，油頁岩採出後先將其壓碎(crush)，而後再加熱至330至4800C之間，以釋放出油頁岩內的油母質成份使成為碳氫化合物的蒸氣，而殘餘物質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頁岩油與油砂頁岩油的提煉頁岩油的提煉1.開採過程，由於油頁岩深埋在地底下，為得到油頁岩必須先去除礦場的覆蓋層，此即為一花費昂貴的程序。
23、2.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。3.當油頁岩經蒸餾取出碳氫化合物後，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岩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。4.從油頁岩中產出1公升的油需要3公升的水，若以格林河層為油頁岩的開發對象，由於當地極為乾燥，因此水資源的取用將是一大問題。3-5頁岩油與油砂阻礙油頁岩開採的因素阻礙油頁岩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有1112%，因此，油沙又稱為瀝青砂。3-5頁岩油與油
24、砂油砂油砂(Tar Oil)傳統的生產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焦或流體化結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，即利用蒸汽注入地下油礦開發。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，但至近年來技術的演進才將開發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，合成原油的生產成本已
25、降至10.5美元，而瀝青的回收率約92%。3-5頁岩油與油砂油砂油砂(Tar Oil)3-5頁岩油與油砂油砂油砂(Tar Oil)Tar fields along the Athabasca River in 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 15,000 square miles.(Photo:National Geographic Magazine,June 2004)
