Transcript Chap_2_化石燃料

能源科技概論
第二章
化石燃料
臺北城市科技大學
機械工程系
TPCUFCLab
化石燃料
成因：係因遠古時代動、植物死亡後演變而來
種類：煤、石油、天然氣、少量的頁岩油及油砂
根據1998底年世界初級能源推估，全球石油蘊藏量約可維
持41年使用量、天然氣約63年、鈾礦約77年、而煤則可維
持218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。
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石油存量預測
BP石油公司對石油消耗之統計與存量使用年限與預測
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蘊藏量和資源
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
資料來源：[1]
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鐘形生產曲線
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。
資料來源：[1]
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碳循環
資料來源：[2]
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能源使用之變遷
100
1997
實際能源消耗走勢
柴薪,乾草
能源市場百分比(%)
80
固體
煤碳
氫氣
氣體
液體
60
煤+核能
石油+水力
40
甲烷
石油
20
動物油脂
(鯨魚油)
石油+液化天然氣
城市煤氣
氫氣
甲烷
0
1850
1900
1950
2000
年代
2050
2100
2150
資料來源：[1]
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燃料中的氫碳含量比
H
H
H
H
H
H
煤碳
H
H
H
H
H
H
H:C = 0.5:1
礦物油
(癸烷)
H H H H H H H H H H
H
H
H H H H H H H H H H
H:C = 2:1
H H H
液化石油氣
(丙烷)
H
H
H H H
H:C = 2.67:1
H
天然氣
(甲烷)
H
H
H
H:C = 4:1
資料來源：[1]
氫氣
H H
H:C
>
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煤的分類
0.泥煤：煤形成過程第一階段，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15~30%，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50~70%。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14,000 Btu/lb。
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煤的蘊藏量
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煤的利用
1. 燃燒
將煤置於高溫環境中，在充足氧化劑的條件下把煤炭轉
化成二氧化碳及水，將釋放出大量熱量以利能源利用。
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. 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後，即
可得到汽油及煤油等。
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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。
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石油的生成
資料來源：[1]
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石油的開採
資料來源：
http://www.enotes.com/topic/Oil_well
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石油的蘊藏量
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石油的分餾
 化石燃料不適宜直接在空氣下燃燒，因為化石燃料除
了可以用作燃料外(例如: 焦碳、天然氣、汽油、燃料)，
還可以轉變成其他有用的產品(例如塑膠和清潔劑)。
 如果把化石燃料直接在空氣下燃燒，這通常會是不完
全燃燒而產生很多的污染物如黑煙、粉末和有毒的氣體
如二氧化硫。
 不完全燃燒亦會浪費很多在化石燃料中所貯存的化學
能。
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石油的分餾
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石油的分餾
分餾產品
粗
汽
油
分餾溫度（沸點）
碳原子數
用 途
石油氣
40℃以下
C1-C4
燃料、化工原料
石油醚
40~60℃
C5-C6
溶劑
汽油
60~205℃
C7-C9
內燃機燃料
煤油
205~300℃
C9-C16
燃料
柴油
300~360℃
C16-C18
柴油機燃料
潤滑油
360℃以上
C16-C20
機械潤滑劑
凡士林
360℃以上
C20-C24
防鏽劑制藥
重油
360℃以上
殘留物
燃料、建築材料
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天然氣
如同煤與石油，天然氣也是一種碳氫化合物。其生
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。若天然氣的產生是在礦區開採原
油時伴隨而出，則稱為聯合氣。反之，如果一儲區
中僅有天然氣產出而無原油，則稱為非聯合氣。前
者乃屬於溼性天然氣，而後者則屬於乾性天然氣。
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天然氣的蘊藏量
資料來源：[1]
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化石燃料導致的污染
資料來源：[1]
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岩頁油
岩頁油為自油頁岩中提煉出的油品。油頁岩為暗色細
粒的老沉積岩，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。
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岩頁油
資料來源：[3]
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阻礙油頁岩開採的因素
1. 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。
2. 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。
3. 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。
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油砂
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11~12%，因此，油沙又稱為瀝青砂。
資料來源：[3]
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參考資料
[1] 陳維新 編著，能源概論，高立書局。
[2] 黃鎮江，燃料電池，滄海書局 ，2008年。
[3] 賈要勤、溫榮弘 編譯，圖解新能源百科，全華圖書， 2008年。
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