能源资源

能源资源 能源资源是指为人类提供能量的天然物质。它包括煤、石油、天然气、水能等，也包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、核能等新能源。能源资源是一种综合的自然资源。纵观社会发展史，人类经历了柴草能源时期、煤炭能源时期和石油天然气能源时期，目前正向新能源时期过渡，并且无数学者仍在不懈地为社会进步寻找开发更新更安全的能源，可以相信能源的多元时代即将来临。 但是，目前人们能利用的能源仍以煤炭、石油、天然气为主，在世界一次能源消费结构中，这三者的总和约占93%左右。 ▲煤    人类开发利用煤炭的历史悠久，早在2000多年前的我国春秋战国时期，就已用煤作燃料。18世纪60年从英国开始的产业革命，使能源结构发生第一次革命性变化从生物质能转向了矿物能源，既由木炭转向了煤炭。至今煤炭仍是人类最重要的能源之一。1990年世界一次能源消费构成中，煤炭占27.3%，仅次于石油，居第二位。化工原料中的3/5、民用商品能源中的4/5都来自煤炭。我国煤炭资源丰富，储量居 世界之首，主要分布在华北和东北地区。 ●煤的形成    在地质历史上，沼泽森林覆盖了大片土地，包括菌类、蕨类、 灌木、乔木等植物。但在不同时代海平面常有变化......     当水面升高时，植物因被淹而死亡。如果这些死亡的植物被沉 积物覆盖而不透氧气，植物就不会完全分解，而是在地下形成有机 地层。随着海平面的升降，会产生多层有机地层。     经过漫长的地质作用，在温度增高、压力变大的还原环境中，这一有机层最后会转变为煤层。因埋深和埋藏时间的差异，形成的 煤也不尽相同。 ●煤的开采    采煤向来是一项最艰苦的工作，当前正在花较大的力量来改善工作条件。由于煤炭资源的埋藏深度不同，一般相应的采用矿井开采（埋藏较深）和露天开采（埋藏较浅）两种方式。可露天开采的 资源量在总资源量中的比重大小，是衡量开采条件优劣的重要指标，我国可露天开采的储量仅占7.5%，美国为32%，澳大利亚为35%；矿井开采条件的好坏与煤矿中含瓦斯的多少成反比，我国煤矿中含瓦斯比例高，高瓦斯和有瓦斯突出的矿井占40%以上。我国采煤以矿井开采为主，如山西、山东、徐州及东北地区大多数采用这一开采方式，也有露天开采，如内蒙古霍林河煤矿就是我国最大的露天矿区。 ●煤的利用    煤既是动力燃料，又是化工和制焦炼铁的原料，素有“工业粮食”之称。众所周知，工业界和民间常用煤做燃料以获取热量或提 供动力,世界历史上，揭开工业文明篇章的瓦特蒸汽机就是由煤驱动的。此外，还可把燃煤热能转化为电能进而长途输运，火力发电占我国电结构的比重很大，也是世界电能的主来源之一。煤燃烧残留的煤矸石和灰渣可作建筑材料。煤还是重要的化工材料。炼焦、高温干馏制煤气是煤最为重要的化工应用，还用于民间和制造合成氨原料；低灰、低硫和可磨性好的品种还可以制造多种碳素材料。 ◆矿井开采      上一页     对埋藏过深不适于用露天开采的煤层，可用3种方法取得通向煤层的通道，即竖井、斜井、平硐。     竖井是一种从地面开掘以提供到达某一煤层或某几个煤层通道的垂直井。从一个煤层下掘到另一个煤层的竖井称盲井。在井下，开采出的煤倒入竖井旁侧位于煤层水平以下的煤仓中，再装入竖井箕斗从井下提升上来。     斜井是用来开采非水平煤层或是从地面到达某一煤层或多煤层之间的一种倾斜巷道。斜井中装有用来运煤的带式输送机，人员和材料用轨道车辆运输。 平硐是一种水平或接近水平的隧道，开掘于水平或倾斜煤层在地表露出处，常随着煤层开掘，它允许采用任何常规方法将煤从工作面连续运输到地面。 ◆露天开采      上一页 移去煤层上面的表土和岩石（覆盖层），开采显露的煤层。这种采煤方法，习惯上叫剥离法开采，这是因为露出地面的煤已开采殆尽，有必要剥离表土，使煤层显露出来。此法在煤层埋藏不深的地方应用最为合适，许多现代化露天矿使用设备足以剥除厚达60余米的覆盖层。在欧洲，褐煤矿广泛用露天开采，在美国，大部分无烟煤和褐煤亦用此法。露天开采用于地形平坦，矿层作水平延展，能进行大范围剥离的矿区最为经济。当矿床地形起伏或多山时，采用沿等高线剥离法建立台阶，其一侧是山坡，另一侧几乎是垂直的峭壁。露天开采使地面受到损害或彻底的破坏，应采取措施，重新恢复地面。美国有几个州和联邦政府的法律了恢复土地的措施，现在许多采掘企业已自愿执行这些规定。 ▲水能   水不仅可以直接被人类利用，它还是能量的载体。太阳能驱动地球上水循环，使之持续进行。地表水的流动是重要的一环，在落差大、流量大的地区，水能资源丰富。随着矿物燃料的日渐减少，水能是非常重要且前景广阔的替代资源。目前世界上水力发电还处于起步阶段。河流、潮汐、波浪以及涌浪等水运动均可以用来发电。 ▲石油、天然气     石油素有“工业的血液”之称，是当今世界最重要的能源，又是近代有机化工的重要原料。石油泛指各种天然形成的可燃性液态碳氢化合物，常含有氧、氮、石蜡及硫等组分。在自然界中，与石油共生的常有天然气，天然气也是非常重要的能源，其成因，开采和利用与石油相似。 ●石油、天然气的形成 ●石油、天然气的勘探和开发 ●石油、天然气的利用 ●石油、天然气的形成 从海底淤泥......     在浅海、泻湖以及湖泊中有大量微小水生物繁殖。当它 们死亡后就沉积在湖底，形成一层富含有机质的淤泥。偶尔 一两只恐龙的结局与之相同，但它们并不是形成石油的主要 来源。 ......到石油 底部水体含氧量很少，使死亡的有机体不致被氧化分解。     随着埋藏成岩作用的进行，压力和热使有机体首先转化为各种不同的干酪根，然后在温度升高的情况下，分解转化为石油或天然气。经构造或水动力作用，油或气向高孔隙度的砂岩层聚集，形成油砂岩或焦油砂岩，少数岩石如页岩内的石油不易排出，就形成含油的页岩即油页岩。 ●石油、天然气的勘探和开发     石油多集中在被不透水岩层包围或限制的砂岩内，一般 位于构造凸起处。在多孔的岩石中石油浮在盐水层的上面，采用钻孔进行开采。在环绕大陆的浅海底有许多产油地层。在这里可以架起支柱固定在大陆架岩石上的海上钻井平台。但是在较深的地方，必须采用系于固定位置的海上浮动钻台。但是全世界开采剩下的许多石油资源却是一种黑色柏油状称 为沥青的物质，不那么容易开采。因此，当传统开采石油的油田产量逐渐萎缩时，需要采用新的方法来开采石油，下面依次讲述石油技术上的四大进展： ◆以四维地震勘探石油 ◆注气抽油 ◆定向钻探 ◆海洋石油开发 ◆以四维地震勘探石油       上一页      1927年，地质学家根据反射声波转换成地壳的详尽剖面图，并据此拼合成一种3维模型，它能揭示多孔岩层中的石油蕴藏状况，从而将石油的发现率和收获率提高20%。     现在已能将反复地震法勘测的结果组合成4维模型，该模型不仅能勘测出油田中石油、气体和水之所在，还能预测出它们下一步的流向。但它对埋藏在极硬岩层中或盐床(下图中厚的白色层所示)下的油田则无能为力。图中从地表产生的声波在普通岩层和含油岩层(深棕色所示)、含水岩层（兰色所示）或含气岩层（黄色所示）之间的界面上反射。反射回来的声波经计算机处理转换成图象，最终便形成一个能指导钻井操作的模型。 ◆注气抽油     当地质学家们开始研究新的时间经历勘测法时，他们惊奇地发现，关于石油流动的最基本的观念之一棗石油天然地处于上面较轻的气体和下面较重的地下水之间棗是过于简化了真正的油田的行为。事实上，大多数油井所产生的均是复杂的分形流动模式，这种模式使得石油同气体和水混合起来了。专家们如今知道，传统的对油井进行抽油，直到油流渐渐枯竭的方法，时常使得60%或更多的油未被采不出来。     一种更为有效的方法是将天然气、蒸汽或液态二氧化碳注入枯井。然后，注入物便通过岩石上的微孔向下扩散，若是周密，注入物还会将被遗弃的石油推向相邻的油井。另一个是时常将水注到石油的下面以增大其压力，从而帮助它向上流到地表。 ◆定向钻探     称为“定向钻探”的第三大技术进展可以开发被遗忘的储油层，而成本却比注入法来得低。石油工程技术人员可以利用各种新设备来使油井在地下数千米处的储油层内从垂直走向变为完全水平走向。传统上，钻探工要转动长长的钻杆，即“钻具组”，钻具组将地表的钻机同油井底部的钻头连为一体。当钻杆必须拐弯时，这种方法就不行了。因此，要使钻探方向改变，并不是使钻具组改变转动方向，而是让安装在靠近钻头处泥浆驱动电机，只转动起挖掘作用的带尖头的金刚石钻齿，从而使安在泥浆驱动电机与钻头之间的弯管接头，控制钻探方向。     国际上一些公司已研制出先进的传感器，其精确读大为提高。传感器负责测定钻井周围岩石的电阻，其它一些传感器则发射出中子和射线，然后对被岩石和孔隙流体散射回来的中子和射线进行计数。上述测量结果以及钻头当前所在位置通过用来驱动电机和润滑井筒的泥浆流中的脉冲被发送回地表。工程技术人员于是就能调整钻探的路径，从而使钻头迂回前进到达构造带中最富油的部分。 ◆海洋石油开发                                   上一页     石油工业最后一大新领域在于深水油田，即海面以下1000米或更深的油田。如此深处的油田向来是人类能力所不及的，然而如今这一局面已经改观。遥控水下机器人已经能够在海底安装复杂的设备，它们是防止井喷、将油流调节到盛行的高压下以及防止天然气冻结阻塞管道所必需的。海底成套设备将把一群群水平式油井联为一体。然后，采得的石油既可以直接集中到海面的油库中，也可以通过长长的水下管道输送到浅水地带原有的平台上。在今后的三年中，预计将在墨西哥湾以及挪威、巴西和西非的海岸外修建这类海底设施。防碍开发海上油田和气田的并非只是深水。巨大的水平走向的盐层和玄武岩层有时就隐伏在大陆边缘深水中的海底下。开采深水下的石油仍然耗资极大，然而，新发明和必要性已给该领域带来了新的探索高潮。 　 ●石油、天然气的利用     石油素有“工业的血液”之称，是当今世界最重要的动力能源，又是近代有机化工的重要合成原材料。提炼油品过程中回收矿物腊和硫，炼油剩余物如石油焦可以作电极，沥青是重要的建筑材料。汽车、轮船和飞机的问世，使石油作为内燃机燃料，有了新的和广泛的用途。除汽油以外，石油是煤油、粗柴油、润滑油、残渣燃料油、沥青和石蜡的来源。     石油、天然气不仅有广泛的工业用途，而且石化产品在人们的生常中也被大量地使用着，装点着人们的家庭。造型各异不同种类的家用电器、箱包器皿、生活用具乃至储存着丰富信息的软盘几乎没有一样离得开石化产品。 ▲太阳能     取之不尽、用之不竭的太阳能是一种可广泛利用的清洁能源。太阳是光明的象征，46亿年来太阳一直照耀着地球，送来光、也送来热。将阳光聚焦，可以将光能转化为热能。传说阿基米德就曾经利用聚光镜反射阳光，烧毁了来犯的敌舰。在日照充分的地方，人们在生产和生活中已大量使用太阳灶、太阳能热水器和干燥器。太阳灶的原理很简单，用金属或其他材料制成类似镜面的装置，将阳光反射到某一焦点，就可以得到100摄氏度或者更高的温度，足够用来做饭、烧水或加热各种物体了。如果镜面的方向能够随着太阳的位置变化而自动调整，太阳能的利用率就更高了。例如，现在世界上最大的抛物面型反射聚光器有9层楼高，总面积2 ,500平方米，焦点温度高达4, 000摄氏度，许多金属都可以被熔化。     太阳能热水器的构造要简单的多。因为不需要它产生太高的温度。在大多数情况下，可以将太阳能热水器的集热器制成箱式、蛇型管式、直管式、平板式或枕式，通过管道与水源和储水箱相连。太阳能热水器在我国北方比较常见。     阳光也可以用来发电。比较常见的光电池是硅电池，它能将13%-20%的日光能转化为电能。许多电子计算器和其他小型电子仪器现在已经采用太阳能电池供电，人造卫星和宇宙飞船更是主要依靠太阳能电池来提供电力。但是阳光在达到地面以前要经过大气的反射、散射和吸收，能量损失较大，加上阴天、昼夜变化和雨雪等降水过程的影响，目前地面上利用日光发电受到一定限制。     无论是生物质能、风能，还是水力、温差和潮汐能，归根结底都是太阳能的转化形式。即使矿物燃料，也是通过生物的化石形式保存下来的亿万年以前的太阳能。太阳能不仅不会造成污染，而且取之不尽、用之不竭，是最廉价的能源。 ▲风能     风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。据有关专家估算，在全球边界层内的总能量为1.3×1015瓦，一年中约为1.4×1016千瓦时电力的能量，相当于目前全世界 每年所燃烧能量的3000倍。其中1/10为可取用的极限量。风能的特点为：能量巨大，但能量密度低，当流速同为3米/秒时，风力的能量密度仅为水力的1/1000；利用简单、无污染、可再生；不稳定性大，连续性、可靠性差；时空分布不均。 ▲生物质能     取之不尽、用之不竭的太阳能是一种广泛利用的清洁能源。太阳是光明的我们知道，燃烧薪柴等生物质的能源会造成烟尘的污染。那么，在不容易获得其他能源的广大农村地区该怎么办呢？在农村到处可以看到许多生物质的废弃物，如人畜粪便、秸秆、杂草和不能食用的果蔬，等等。将这些废弃物收集起来，经过细菌发酵可以产生沼气，用沼气做燃料和照明，就可以有效地解决问题。沼气具有很高的热值，燃烧后生成二氧化碳和水，不污染空气，不危害农作物和人畜健康；生成沼气的原料本身就是各种废弃物，用来生成沼气后可以大大减少垃圾的数量。     生成沼气实际上是利用厌氧微生物在密闭条件下分解有机物。燃烧和呼吸等都是在氧气的帮助下对有机物进行分解，一方面消耗氧气放出二氧化碳；另一方面释放能量。 ▲地热能     从直接利用地热的规模来说，最常用的是地热水淋浴，占总利用量的1/3以上，其次是地热水养殖和种植约占20%，地热采暖约占13%，地热能工业利用约占2%。利用地热能，占地很少，无废渣、粉尘污染，用后的弃（尾）水既可综合利用，又可回注到地下储层，达到增加压力、保护储层、保护地热资源的双重目的。据美国地热资源委员会（GRC） 1990年的调查，世界上18个国家有地热发电，总装机容量5827.55兆瓦，装机容量在100兆瓦以上的国家有美国、菲律宾、墨西哥、意大利、新西兰、日本和印尼。我国的地热资   源也很丰富，但开发利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省区。除以上利用外，从热水中还可提取盐类、有益化学组分和硫磺等。 ▲海洋能     潮汐的发生是地球受月球和太阳引力的影响而引起的涨潮时海水向岸边冲去，落潮时又退回海中，每天有规律地往复运动。受海岸、港湾地形的影响，海面的高度在高潮和低潮时有很大差别。如杭州湾潮差高达8.93米，是我国潮差最大的地方。潮汐的涨落是海水在作大规模的流动，其中蕴含着巨大能量，既可以用来推动机械装置，又可以用来发电。     海水中储存着大量的以热能形式保存的太阳能，主要表现为海水表层和深层间的温差。因为水的沸点与气压有关，如果建造一个装置，用抽真空的方法使表层的海水在20摄氏度时汽化，并推动汽轮机，再将深层的冷水提上来使蒸汽冷却，如此周而复始，就可以发电了。除这种方法外，还可以用低沸点的流体如丙烷和氨来作为热机的工作介质。法国已经建成了世界上第一座温差发电站，发电容量为14,000千瓦。 ▲核能     铀在自然界中有三种放射性同位素：U235、U238、U234 ，在衰变过程中放出热量。在军事上铀主要用来制造核武器和核动力燃料。铀的和平用途十分广泛，其中最主要的是用作核电反应堆的燃料。     由于核电具有发电成本低、对环境污染小和安全等优点，世界各国，尤其是工业发达的国家和地区都大力发展核电，估计到2000年核电将达到世界总发电量的25%左右。我国已建成秦山、大亚湾核电站，目前还有多处正在筹建。     铀裂变时产生的同位素及其射线，在工农业生产和科学技术领域中有广泛的用途。例如，在工业上利用射线实现生产自动控制，无损伤检查等；在农业上利用射线培育良种，防止病虫害等；在医学上用于灭菌消毒，临床诊断及治疗；在地质勘探工作中用来找矿等等。 第 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