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化石燃料

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化石燃料也稱礦石燃料,是一種烴或烴的衍生物的混合物,其包括的天然資源為煤、石油和天然氣等。化石燃料是由古代生物的遺骸經過一系列複雜變化而形成的,是不可再生資源。 [1] 
化石燃料的運用能使工業大規模發展,而替代水車。當發電的時候,在燃燒化石燃料的過程中會產生能量,從而推動渦輪機產生動力。舊式的發電機是使用蒸汽來推動渦輪機的。現時,很多發電站都已採用燃氣渦輪引擎,那是利用燃氣直接來推動渦輪機的。
中文名
化石燃料
外文名
fossil fuel
別    名
礦石燃料
定    義
烴或烴的衍生物的混合物
性    質
不可再生資源
組    成
煤炭、石油、油頁岩、天然氣、可燃冰

化石燃料種類劃分

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化石燃料是指煤炭、石油、天然氣等這些埋藏在地下和海洋下的不能再生的燃料資源。化石燃料中按埋藏的能量的數量的順序分有煤炭類、石油、油頁岩、天然氣、油砂以及海下的可燃冰等。

化石燃料煤炭

化石燃料 化石燃料
煤炭是埋藏在地下的植物受地下和地熱的作用,經過幾千萬年乃至幾億年的炭化過程,釋放出水份二氧化碳、甲烷等氣體後,含量減少而形成的。煤中有機質是複雜的高分子有機化合物,主要由碳、、氧、氮、硫和磷等元素組成,含碳量非常豐富。由於地質條件和進化程度不同,含碳量不同,從而發熱量也就不同。按發熱量大小順序分為無煙煤、半無煙煤、煙煤褐煤等。煤炭在地球上分佈較為廣泛,不集中某一產地。
煤的形成示意圖 煤的形成示意圖
煤是複雜的混合物,主要含有碳元素,此外,還含有氫元素和少量的氮、硫、氧等元素以及無機礦物質。 [1] 

化石燃料石油

從油井中開採出來的石油叫原油,是一種黏稠狀的液體。石油中主要含有碳和氫兩種元素。 [1] 
石油是水中堆積的微生物殘骸,在高壓的作用下形成的碳氫化合物。石油經過精製後可得到汽油、煤油柴油和重油。石油在地球上分佈不均,中東佔54%,北美佔12%,南美佔9%,幾乎佔了可確認埋藏量的3/4。
從1800年至2000年間每年每一種化石燃料 從1800年至2000年間每年每一種化石燃料
石油是一種全球使用量最高的化石燃料,耗盡的時間較其他的較慢。可廣泛使用的可再生能源例如肥料發電、能量高的核能發電和科學不斷的進步都可減少對化石燃料的依賴。此外,石油使用量高也因為它是石化產品的原材料, 用途廣泛。
在供給和需求概念原則的建議下,當化石燃料的供應下降,價格就會上升。因此當化石燃料價格高的時候,能源選擇性會更多,原先普遍被認為不符合經濟效益的可再生能源會成為較符合經濟效益而開發的能源之一。現時,雖然人工汽油和其他的可再生能源的所需要成本及加工技術較普通的石油生產為高及複雜,但在將來的經濟效益較普通的石油生產為高。
石油和天然氣的形成示意圖 石油和天然氣的形成示意圖

化石燃料油頁岩

油頁岩是水藻炭化後形成的,含灰分過多,多半不能自烯。油砂是含重質油4~20%的砂子。油頁岩和油砂在美洲大陸偏多。

化石燃料天然氣

天然氣主要是由碳和氫組成的氣態碳氫化合物,其中最主要的是甲烷。 [1] 
天然氣直接採掘於地下,含甲烷為主。在攝氏零下162度被冷卻,液化後,作為液化天然氣 用大型專用海輪或油罐輸送。天然氣的分佈也非常偏於中東,美洲和歐洲大陸。

化石燃料可燃冰

可燃冰是發現的儲存在深海底的一種以甲烷的固體形式存在的可燃物。

化石燃料面臨現狀

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在踏入全球現代化的步伐20世紀至21世紀中,化石燃料(fossil fuel)潛在着能源短缺的危機,特別是從石油提煉出來的汽油,是引致全球石油危機的一個原因。現時,全球正趨向發展可再生能源和核能,這可以幫助增加全球的能源所需。
人類不斷地燃燒化石燃料而排放二氧化碳(温室氣體的主來源之一),是加快全球變暖的因素之一。此外,生物燃料中的二氧化碳成份是來自大氣層,因此發展生物燃料可以減少在大氣層上的二氧化碳,因為可靠種植來減少二氧化碳的含量,從而減低温室效應
到目前為止,世界各國所用的燃料幾乎都是化石燃料,即石油、天然氣和煤。自然界經歷幾百萬年逐漸形成的化石燃料,可能在幾百年內全部被人類耗盡。據觀察、研究表明,今天在地下已沒有煤和石油在形成。石油也叫原油,它是黃色到黑色的可燃性粘稠液體,常跟天然氣共存,是很複雜的混合物。石油的性質因產地不同而不同,密度、粘度和凝固點的差別很大,例如,凝固點有的高達30℃,有的低到-66℃。熱值從43.7~46.2MJ/kg。石油中各組分的沸點差別也很大,從25℃~500℃以上。石油裏的主要元素是碳和氫,分別佔83~87%和11~14%。此外還含有少量的硫(0.06~8%)、氮(0.02~1.7%)、氧(0.08~1.8%)以及微量金屬元素(鎳、釩、鐵、銅)等。天然氣從廣義上講,指埋藏在地層中自然形成的氣體的總稱。但通常所指的天然氣只指貯藏在地層較深部的可燃性氣體(氣態的化石燃料)和跟石油共存的氣體(常稱油田伴生氣)。天然氣的主要成分是甲烷。此外,根據不同的地質條件,還含有不同數量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷等低碳烷烴以及二氧化碳、氮氣、氫氣、硫化物等非烴類物質。有的氣田中還含有氦氣。甲烷含量高的天然氣叫幹氣,兩個或兩個以上碳原子烷烴含量較高的天然氣稱為濕氣。我國四川自貢盛產天然氣。煤也叫煤炭,它是埋藏在地下的固態可燃性礦物。煤是一種混合物,沒有單一的分子結構,經過科學家長期研究,已經有煤結構的普通型式介紹。煤的結構裏有大量的碳原子環,一些環相互稠合,另一些環鍵合成長鏈。比較常見的有W.H.懷澤的煙煤結構模型,但都還沒有能揭示煤的實質結構。煤中有機質元素主要是碳,其次是氫,還有氧、氮和硫等元素。
從探明的儲量分析,現地球上的石油、天然氣和煤炭的總儲量分別為:
石油 1萬億桶
化石燃料 化石燃料
天然氣 120萬億立方米
煤炭 1萬億噸按照全世界對化石燃料的消耗速度計算,這些能源可供人類使用的時間大約還有:
石油   45-50年
天然氣  50-60年
煤炭   200-220年
儘量減少對不可再生的化石燃料的消耗,在有可能的情況下多使用可再生能源(如太陽能、風能、水能、生物能潮汐能),是我們要關心和參與的事情。 [2] 

化石燃料環境影響

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由於化石燃料是世界一次能源的主要部分,其開採、燃燒耗用等方面的數量都很大,從而對環境的影響也令人關注。
開採過程對環境的影響最典型的是煤炭開採,包括開採對土地的損害、對村莊的損害和對水資源的影響。據不完全統計,迄今為止平均每開採萬噸煤炭塌陷農田0.2公頃,平均每年塌 陷2萬公頃。中國建築物下壓煤超過48億噸,其中村莊下壓煤佔2/3。而且,煤炭燃燒會產生二氧化硫二氧化氮污染環境。
在山東、河北、河南、安徽和江蘇五省平原地區,壓煤村莊1100個,居住村民百萬以上。開採造成水資源的污染對生態環境的影響也量大面廣,平均每開採1噸原煤需排放2噸污水更嚴重的是,在有些地區,由於水源和江河湖海的嚴重污染,造成居民用水短缺。
化石燃料在利用過程中對環境的影響主要是燃燒時各種氣體與固體廢物和發電時的餘熱所造成的污染。化石燃料時產生的污染物對環境的影響主要有兩個方面。一是全球氣候變化。燃料中的碳轉變為二氧化碳進入大氣,使大氣中二氧化碳的濃度上升,從而導致温室效應加劇,改變了全球的氣候,生態平衡失衡。二是熱污染。火電站發電所剩“餘熱”被排出到河流、湖泊、大氣或海洋中,在多數情況下會引起熱污染。例如,這種廢熱水進入水域時,其温度比水域的温度平均要高出7~8℃,使生物要離開該水域。 [3] 

化石燃料温室效應

科學家警告稱,如果人類仍然盡一切可能地燃燒可用化石燃料,世界上多數人口最密集的大型城市將被海水淹沒。這些城市包括:倫敦、紐約、東京、香港和上海等。
人類燃燒石油、天然氣和煤炭將釋放大量二氧化碳,從而導致南極冰蓋完全融化,出現海平面破壞性上升。雖然南極洲西部冰蓋曾是多數氣候變化研究的焦點,但是最新一份研究報告顯示,南極洲東部冰蓋也瀕臨融化。
該研究報告合著作者安德斯-列維爾曼(Anders Levermann)教授稱,如果我們希望能夠將東京、香港、上海、加爾各答、漢堡和紐約等城市仍然延續發展下去,就必須避免南極洲東部冰蓋融化。
這項研究推斷稱,無法減弱的碳排放正在導致海平面升高,從整體上威脅南極洲冰蓋。如果我們燃燒當前可利用的所有化石燃料資源,未來南極洲將變成完全沒有冰層覆蓋的海洋。
未來無限制地排放二氧化碳氣體,南極洲海平面將大幅升高,未來1000年將升高數十米,最終導致全球冰蓋消融。列維爾曼的同事肯-卡爾代拉(Ken Caldeira)説:“目前並不清楚這種動態冰蓋融化是否是可逆轉的,如果是這樣的話,需要多長時間才能逆轉。依據當前人類的生活方式,我們無法停止使用化石燃料,阻止釋放二氧化碳進入大氣層。如果我們不能停止釋放二氧化碳進入空氣中,一些共計容納數億居民生活的多個超級城市未來有一天將沉入海底。”
科學家發出警告稱,世界必須做好氣候快速變化的準備工作。這項研究顯示,到2020年,北半球氣温每十年升高0.25攝氏度,這一升高幅度至少過去1000年內未出現過。
據悉,這項研究是由美國太平洋西北國家實驗室研究員負責的,他們聚焦40年為一週期的氣候變遷,總體來講,由於人類活動增大温室氣體排放,從而誘捕太陽熱量使全球變得更加温暖。 [4] 

化石燃料化石燃料的燃燒

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在燃燒過程中,化石燃料中的碳轉變為二氧化碳進入大氣,使大氣中二氧化碳濃度增大。而二氧化碳作為一種温室氣體具有吸熱和隔熱的功能。它在大氣中增多的結果是形成一種無形的玻璃罩,使太陽輻射到地球上的熱量無法向外層空間發散,其結果是地球表面變熱起來,加重了温室效應。自工業革命以來,儘管因化石燃料的使用,人類社會的生產力大大提高,但隨之引起全球氣候變暖等一系列嚴重問題,也逐漸引起全世界各國的關注。
化石燃料又叫做礦物燃料、礦石燃料。指埋藏地層中的不同地質年代的動植物遺體經歷漫長地質條件的變化,以及温度、壓力和微生物的作用而形成的一類可燃性礦物。所有的化石燃料都是由碳氫化合物組成的,所以燃燒時會釋放二氧化碳。人為二氧化碳排放的主要來源是能源生產和交通運輸的化石燃料燃燒。由於化石燃料的開採利用規模十分龐大,從而對環境的影響也令人關注。
化石燃料可分為氣體燃料(如天然氣)、液體燃料(如石油)、固體燃料(如煤炭、油頁岩、油砂等)。其中煤炭、石油、天然氣使用的最為廣泛,也是二氧化碳的主要來源。煤炭是一種混合物,有機質元素主要是碳,其次是氫,還有、氮和硫等。由於含炭量非常豐富,煤炭的燃燒會排放大量的二氧化碳。比如,據有關單位計算,我國煤炭燃料排放的二氧化碳量佔礦物燃料排放二氧化碳量的八成以上,佔中國温室氣體總量的一半多,充分説明了煤炭燃燒在温室氣體和二氧化碳排放中的顯著地位。
石油也叫原油,是水中堆積的微生物殘骸,在高壓的作用下形成的碳氫化合物。石油是一種可燃性粘稠液體, 常跟天然氣共存,是很複雜的混合物。石油經過精製後可得到汽油、煤油、柴油和重油。它石油的性質因產地不同而不同,密度、粘度和凝固點的差別很大,例如,凝固點有的高達30℃,有的低到-66℃。石油裏的主要元素是碳,佔到了83%~87%,從而造成了二氧化碳的大規模排放。此外,石油中還含有11%~14%的氫,以及少量的硫(0.06%~8%)、氮(0.02%~1.7%)、氧(0.08%~1.8%)和微量金屬元素(鎳、釩、鐵、銅)等。
許多石油開採公司正在使用一種向儲油層注入二氧化碳來提高採油率的技術。這種技術是將收集來的二氧化碳在壓縮後通過泵壓方式儲存在廢棄的油田和天然氣氣田、深層地下鹽層水和煤層。二氧化碳與原油混合後,原油的黏性就會減弱,可以更容易流向地面。這樣,不但減少了二氧化碳的排放,又增加了是石油的產量。
天然氣,從廣義上講,天然氣指埋藏在地層中自然形成的氣體的總稱。但通常所説的天然氣僅指貯藏在地層較深部的可燃性氣體(氣態的化石燃料)和跟石油共存的氣體(常稱油田伴生氣)。天然氣的主要成分是甲烷。此外,根據不同的地質條件。有的氣田中還含有氦氣。相對於煤炭和石油,天然氣是一種潔淨環保的優質能源,天然氣燃燒時產生二氧化碳低60%。
採用天然氣作為燃料,可減少煤和石油的用量,因而大大改善環境污染。此外,由於天然氣幾乎不含硫、粉塵和其他有害物質,能減少二氧化硫和粉塵排放量近100%,減少氮氧化合物排放量50%,有助於減少酸雨形成,舒緩地球温室效應。天然氣也是較為安全的燃氣之一,它不含一氧化碳,也比空氣輕,一旦泄漏,立即會向上擴散,不易積聚形成爆炸性氣體,安全性較高。
參考資料
  • 1.    人民教育出版社 課程教材研究所 化學課程教材研究開發中心.義務教育教科書 化學 九年級 上冊:人民教育出版社,2012:137-139
  • 2.    朱達.《能源——環境的經濟分析與政策研究》:中國環境科學出版社,2000
  • 3.    [法] 克里斯蒂昂·恩戈,阿蘭·雷岡.《廢棄物與污染:對環境和健康的影響》:中國環境科學出版社,2005
  • 4.    人類繼續使用化石燃料將使大型城市沉入海底  .騰訊[引用日期2015-09-16]