星期一, 2月 25, 2013

能源: 初始之資源, 煤 (下)



煤可說是地球上最豐富, 分布地區最廣的資源. 根據世界能源委員會 (World Energy Council, WEC) 估計, 世界可採煤量達到五百多億噸, 佔世界可採的化石燃料量的66.8%, 足夠全球224年之用. 直至1996年所估計, 世界探明的可採煤量有一億多噸. 而全球蘊藏煤最豐富為美國, 有煤礦沙地阿拉伯之稱. 其次是俄羅斯, 中國排第三. 接著是澳洲, 印度, 德國等. 可是最大的產煤國卻是澳洲, 佔全球的70% (2010年統計). 出產的煤, 主要給中國消費, 其消費量佔全球的35%.
煤是冶金及工業用的重要源料. 主要以燃燒, 煉焦, 氣化, 低溫乾餾, 加氫液化等方法提煉煤. 一些國家, 如中國, 就是透過燃燒煤發電所得. 煉焦就是將煤放入乾餾爐內, 隔開空氣後加熱, 把煤中的有機質分解, 以氣態或蒸氣形態冒出, 氣體就是焦爐煤氣, 用作燃料及合成化工之用. 而蒸氣體, 就是煤焦油, 可用在生產肥料, 醫藥或農藥, 合成橡膠或纖維, 油漆染料及瀝青等. 至於不能揮發的物質, 就是焦碳. 它是煉鐵的源料, 也能造成植物用的氮肥, 及合成化工用的電石.
氣化, 也是把煤轉為工業用的合成化工原料或民用的燃料之用 (這與我們在家中用的煤氣有別. 我們家中用的煤氣, 是由石油原油中提煉出來的石腦油再加工而成的). 至於低溫乾餾, 就是把煤置於550度的溫度下乾餾, 取得低溫焦油及低溫焦爐煤氣, 用於製造高級液化燃料或化工原料. 最後, 加氫液化就是用褐煤, 氣煤等, 與重油, 加入催化劑混合一起, 在氫作用下, 經過高溫和高壓, 化成液態和氣態, 進一步產生汽油或柴油等燃料.
現在煤的開採方法有兩種. 由於煤埋藏深度有所不同, 對較深的煤層, 就會採用礦井開採; 較淺的, 則用露天開採. 至於開採方法, 主要有三種: 房柱法開採, 長壁開採法, 還有最傳統的炸藥法. 房柱法開採就是用鎢合金 (以鎢為基礎加入其他金屬合成的合金. 用鎢合金好處是堅硬及熔點高. ) 鑽頭鑽採煤, 再由斗車送到地面. 全球三分之二以上的煤, 都是以這方法開採的.
第二多的開採法 (20%左右), 就是長壁開採法. 利用煤層切割機, 把煤切下, 再送到輸送設施帶出礦井. 其餘的11%, 還是使用最傳統的炸藥法, 亦即是用爆破的方式將煤移除.
不論煤和石油, 在提煉燃燒時, 總會釋出有害元素, 其中最主要就是硫 (煤含有5%10%的硫; 石油3%). 硫進入大氣中危害嚴重. 硫與空氣結合後, 成為二氧化硫 (一噸煤能造成至少五十公斤的二氧化硫, 而石油燃燒後有90%的硫都會變成二氧化硫), 吸收水氣後變成硫酸霧, 對人的眼睛和呼吸道有刺激作用, 令人出現咳嗽, 打噴嚏, 喉嚨痛, 惡心, 呼吸困難等徵狀, 嚴重的會造成支氣管炎及哮喘等病症, 甚至會窒息死亡.
當二氧化硫融入雨水形成硫酸雨, 落到農作物後, 會令稻米及小麥減產. 落到河流或湖裡, 會令水的酸度增加, 水中的細菌和微生物因而死亡, 影響水中生物好似魚類的生長. 當酸雨落到城市中的建築物上, 會侵蝕外壁, 加速其老化. 據估計, 美國每年因酸雨污染造成的經濟損失, 達到二百五十億美元.
界人口增加, 對煤及石油需求有增無減, 這意味著, 因燃燒它們所產生的二氧化硫不斷增加. 各國為了應付這有害物質而不斷增加的成本, 為了決解問題, 各國對自身本土的工業, 會以獎勵減排硫去減低污染. 從宏觀角度看, 世界向兩個方面著手解決硫污染. 一個是潔淨煤技術 (Clean Coal Technology), 即是從煤的開採到利用過程中, 透過高新技術, 減少污染及硫排放. 另一方面, 則從聯合國層面所制定的國際公約, 聯合國氣候變化綱要公約 (United Nations Framework Convention on Climate Change, 簡稱UNFCCCFCCC) 去限制排放.

星期四, 2月 21, 2013

能源: 初始之資源, 煤 (上)



從人類有文明開始, 煤對我們有密不可分的關係. 對煤最早的記載見始於<山海經山西經>, "西南三百里曰, 女牀之山, 其陽多赤銅, 其陰多石涅." 石涅, 就是煤. 到魏晉時稱為石墨或石炭. 明朝楊慎在 <丹鉛續錄>中也有記錄. 而煤一稱呼, 最初見於李時珍的 <本草網目.拾遺卷二.火部.煤火>. 記述如下,

"北方炊食多用煤火, 以地屬坎, 足勝其氣, 且助命門真火. 食煤火長氣于陰, 所以膂力强壯, 南人食之多髮癰毒. 受其毒者, 以汁解之. 然煤火處置大缸水于旁, 則毒從水解. 南方炊食多用薪火, 長氣于陽. 氣多輕浮不實, 不似北方之禀氣剛勁也. 然近日南方亦產煤, 薪價日昂, 市井多有用煤者, 其煤在浙省則出殅衢嚴, 湖州較北, 煤堅細, 以之代薪. 瓦斯亦減薄, 甚有如薪炭無嗅氣者, 名曰香煤. 出太湖山中, 綱石部收烏金石, 即煤也. 其主治多言其質之用, 而火部又不收煤火, 故為補之. 用以香煤為佳. 烹一切食物, 能和脾胃. 滋氣力, 通腎氣, 助陽道. 婦人暖子宮. 雜煤嗅煤有毒."

從李時珍對煤火本質, 產地, 等級等描述, 可見宋朝時人們利用煤火煮食已十分普遍.
至於西方, 最早用煤的文明, 見於希臘和古羅馬. 公元前大約300, 希臘學者泰奧弗拉斯托斯(Theophrastus, 古希臘哲學家及科學家, 受教於柏拉圖和亞里士多德)著作<論石>, 裡面有對於煤的性質和產地有詳細論述. 而在2000年前的古羅馬, 已懂得用煤加熱. 可見不論東西方, 煤已是當時主要燃料.
, 主要成份為碳, 氫和氧, 佔有95%以上, 其餘為氮及硫等元素, 佔少量. 而煤主要分為褐煤, 煙煤及無煙煤, 三種煤的生成在不同的年代中. 煤的生成, 是由遠古恐龍時期的植物遺骸, 在地下層經過千百萬年壓力下形成. 植物枯死後, 遺骸堆積到水中, 在地表上常温及壓力下泥碳化或稱為腐泥化後, 變成泥碳或腐泥.
泥碳化, 即是指苔蘚類, 蕨類及孢子類植物遺骸在堆積過程中, 經微生物分解過程中的化學變化, 轉變成泥碳. 而苔蘚類, 蕨類及孢子類植物亦稱為高等植物. 至於腐泥化就是藻類及地衣類植物遺骸, 在埋積過程中, 經微生物分解過程中的化學作用而成的腐泥. 因為藻類及地衣類植物並沒有胚珠, 因此亦稱為低等植物.
泥碳及腐泥被泥土淹沒, 再經過地殼變動, 下降及沉積在地下深處. 經成岩作用下, 某些泥碳或腐泥會形成褐煤. 某些泥碳及腐泥, 受到更高的溫度及壓力下變質, 形成煙煤及無煙煤.
從地質學中, 煤的形成年代, 劃分為三大時期. 第一個是由古生代的石碳紀到二叠紀, 3.55億年前到2.5億年前. 當時植物主要是孢子類植物, 形成煤種為煙煤及無煙煤. 第二個年代就是由中生代的侏羅紀到白堊紀, 大約由19960萬年前到6550萬年前. 當時植物主要是裸子類植物 (即是種子類植物中, 胚珠外露在孢子植物葉上的邊緣或葉面上的植物), 形成褐煤及煙煤. 最後就是新生紀的第三紀, 6500萬年前至260萬年前. 主要是被子植物 (又稱為開花植物或有花植物, 顧名思義, 就是通過受精開花結果繁殖的植物.), 形成的煤大多是褐煤, 泥碳, 也有少量年輕的煙煤.
褐煤, 煙煤及無煙煤三類煤在揮發性, 可燃性及熱量都各有不同. 褐煤為三種煤中燃燒時間及熱量較低的煤種. 其色澤較暗, 黑褐色, 大多為塊狀, 質地較鬆散. 揮發值大約40%, 燃點較低, 燃燒時火焰較大, 黑煙較多.
無煙煤為三種煤中揮發性最低 (10%以下), 含碳量最高 (80%以上), 燃燒時間及熱量最高的煤種. 為小塊狀及粉狀, 顏色黑而亮, 雜質較少, 難以燃點, 燃點後火焰較細, 冒煙少. 至於煙煤, 其燃燒時間及熱量均為兩者之間. 揮發性30%以上, 燃點時火焰較長, 並冒出大量黑煙. 形狀為小塊狀及粒狀, 質地較細緻, 黑色而有光澤.
三種煤外, 還有未形成煤的泥碳, 又稱泥煤. 其水份多, 需要風乾後才能使用. 其含碳量少, 發熱量也低, 卻很容易著火. 由於其水份含量重, 所以揮發性高.