化石能源

【專家解說(shuō)】：人類生存和發(fā)展的三要素 物質(zhì)、能量與信息。 因此，能源的發(fā)展史直接影響人類的發(fā)展史。 我們?nèi)祟惿媾c發(fā)展中最具有決定性意義的要素是三個(gè)：¾¾ 物質(zhì)、能量和信息。 組成我們的世界是物質(zhì)；人類生存活動(dòng)決定于對(duì)信息的認(rèn)知和反應(yīng)；而維持生命，從事發(fā)展的活動(dòng)又地要通過(guò)消耗能量來(lái)進(jìn)行。 一切能量來(lái)自能源，人類離不開能源。能源是人類生存、生活與發(fā)展的主要基礎(chǔ)。能源科學(xué)與技術(shù)，能源利用的發(fā)展在人類社會(huì)進(jìn)步中一直扮演著及其重要的角色。 能源發(fā)展的里程碑 可以這么說(shuō)，每一次能源利用的里程碑式發(fā)展，都伴隨著人類生存與社會(huì)進(jìn)步的巨大飛躍。幾千年來(lái)，在人類的能源利用史上，大致經(jīng)歷了這樣四個(gè)里程碑式的發(fā)展階段：原始社會(huì)火的使用，先祖?zhèn)冊(cè)诨鸬恼找掠瓉?lái)了文明社會(huì)的曙光；18世紀(jì)蒸汽機(jī)的發(fā)明與利用，大大提高了生產(chǎn)力，導(dǎo)致了歐洲的工業(yè)革命；19世紀(jì)電能的使用，極大地促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，改變了人類生活的面貌；20世紀(jì)以核能為代表的新能源的利用，使人類進(jìn)入原子的微觀世界，開始利用原子內(nèi)部的能量。 未來(lái)對(duì)能源的要求 有足夠滿足人類生存和發(fā)展所需要的儲(chǔ)量，并且不會(huì)造成影響人類生存的環(huán)境污染問(wèn)題。 未來(lái)對(duì)能源的需求 未來(lái)的人類社會(huì)依然要依賴于能源，依賴于能源的可持續(xù)發(fā)展。因此，我們須現(xiàn)在就很清楚地了解地球上的能源結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)量，發(fā)展必須開發(fā)的能源利用技術(shù)，才能使人類的生存得于永久維持。 而我們賴于生存的能源是取之不盡用之不完的嗎？回答是：不是，也是。事實(shí)上，進(jìn)入21世紀(jì)后，人類目前技術(shù)可開發(fā)的能源資源已將面臨嚴(yán)重不足的危機(jī)，當(dāng)今煤、石油和天然氣等礦石燃料資源日益枯竭，甚至不能維持幾十年。因此，必須尋找可持續(xù)的替代能源。而近半世紀(jì)的核能和平利用，已使核能已成為新能源家屬中迄今為止能替代有限礦石燃料的唯一現(xiàn)實(shí)的大規(guī)模能源。而且，未來(lái)如能實(shí)現(xiàn)核能的徹底利用，人類的能源將是無(wú)窮的。 除了物質(zhì)、能量和信息三大因素外，人類對(duì)安全的要求也越來(lái)越重要了。安全包括社會(huì)安全、健康安全和環(huán)境安全等。它們同能源的關(guān)系也是非常密切的?，F(xiàn)在利用的能源已造成了大量的環(huán)境污染問(wèn)題，嚴(yán)重影響了人類的生存。因此，未來(lái)對(duì)能源的要求將不僅是儲(chǔ)量充足，而且還必須是清潔的能源。相對(duì)其它化石能源而言，核能的和平利用已充分證明了核能是清潔的能源之一。 u 能源的定義與源頭 究竟什么是“能源”呢？《科學(xué)技術(shù)百科全書》是這樣說(shuō)的：“能源是可從其獲得熱、光和動(dòng)力之類能量的資源”；《大英百科全書》說(shuō)：“能源是一個(gè)包括著所有燃料、流水、陽(yáng)光和風(fēng)的術(shù)語(yǔ)，人類用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換手段便可讓它為自己提供所需的能量”?？梢?jiàn)，能源是呈多種形式的、可以相互轉(zhuǎn)換的能量的源泉。簡(jiǎn)而言之，能源是自然界中能為人類提供能量的物質(zhì)資源。 能源的源頭 來(lái)自地球以外天體的能源（如太陽(yáng)能）、地球本身蘊(yùn)藏的能源（如地?zé)帷⒑四埽?、地球與其它天體相互作用產(chǎn)生的能源（如潮汐）。 而能源是產(chǎn)生能量的源頭。 人們通常按形態(tài)與應(yīng)用方式對(duì)能源進(jìn)行分類。一般分為：固體燃料、液體燃料、氣體燃料、水能、電能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、核能、海洋能和地?zé)崮?。其中，前三類統(tǒng)稱化石燃料或化石能源。已被人類認(rèn)識(shí)的這些能源，在一定條件下可以轉(zhuǎn)換為人們所需的各種形式的能量。比如薪柴和煤炭，加熱到一定溫度，能和氧氣化合并放出大量熱能，可以直接用來(lái)取暖，也可用來(lái)產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，使熱能變成機(jī)械能，再變成電能。把電送到工廠、機(jī)關(guān)和住戶，又可以轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、光能或熱能。 在我們生活的地球上，能源形形色色?？偲饋?lái)說(shuō)有三個(gè)初始來(lái)源。 太陽(yáng)能 地球 來(lái)自地球外部天體的能源（主要是太陽(yáng)能）人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來(lái)自太陽(yáng)。正是各種植物通過(guò)光合作用把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能在植物體內(nèi)貯存下來(lái)。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動(dòng)植物經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代形成的。它們實(shí)質(zhì)上是由古代生物固定下來(lái)的太陽(yáng)能。此外，水能、風(fēng)能、波浪能、海流能等也都是由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換來(lái)的。 地球本身蘊(yùn)藏的能量 通常指與地球內(nèi)部的熱能有關(guān)的能源和與原子核反應(yīng)有關(guān)的能源。 與地球內(nèi)部的熱能有關(guān)的能源，我們稱之為地?zé)崮?。溫泉和火山爆發(fā)噴出的巖漿就是地?zé)岬谋憩F(xiàn)。地球可分為地殼、地幔和地核三層，它是一個(gè)大熱庫(kù)。地殼就是地球表面的一層，一般厚度為幾公里至70公里不等。地殼下面是地幔，它大部分是熔融狀的巖漿，厚度為2900公里。火山爆發(fā)一般是這部分巖漿噴出。地球內(nèi)部為地核，地核中心溫度為2000度?？梢?jiàn)，地球上的地?zé)豳Y源貯量也很大。 與原子核反應(yīng)有關(guān)的能源正是本書要介紹的核能。原子核的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)能釋放出大量的能量，稱為原子核能，簡(jiǎn)稱核能，俗稱原子能。它則來(lái)自于地殼中儲(chǔ)存的鈾、钚等發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí)的核裂變能資源，以及海洋中貯藏的氘、氚、鋰等發(fā)生聚變反應(yīng)時(shí)的核聚變能資源。這些物質(zhì)在發(fā)生原子核反應(yīng)時(shí)釋放出能量。目前核能最大的用途是發(fā)電。此外，還可以用作其它類型的動(dòng)力源、熱源等。 來(lái)自星球引力的能量 指由于地球與月球、太陽(yáng)等天體相互作用的形成的能源。地球、月亮、太陽(yáng)之間有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，造成相對(duì)位置周期性的變化，它們之間的引力隨之變化使海水漲落而形成潮汐能。與上述二類能源相比，潮汐能的數(shù)量很小。全世界的潮汐能折合成煤約為每年30億噸，而實(shí)際可用的只是淺海區(qū)那一部分，每年約可折合為6000萬(wàn)噸煤。 u 能源結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)量 地球上有哪些能量資源可供我們使用？它們還能維持多久？我們?cè)撛趺崔k？ 能源的種類 一次能源：煤炭、石油、核能等自然界天然能量資源； 二次能源：汽油、電力、蒸汽等人工制造的能量資源， 一次能源和二次能源 能源按其生成方式，分為天然能源（一次能源）和人工能源（二次能源）兩大類。天然能源是指自然界中以天然形式存在并沒(méi)有經(jīng)過(guò)加工或轉(zhuǎn)換的能量資源，如煤炭、石油、天然氣、核燃料、風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、海洋能、潮汐能等；人工能源則是指由一次能源直接或間接轉(zhuǎn)換成其他種類和形式的能量資源，如煤氣、汽油、煤油、柴油、電力、蒸汽、熱水、氫氣、激光等。 常規(guī)能源和新能源 其中，已被人類廣泛利用并在人類生活和生產(chǎn)中起過(guò)重要作用的能源，稱為常規(guī)能源，通常是指煤炭、石油、天然氣、水能等四種。而新近才被人類開發(fā)利用、有待于進(jìn)一步研究發(fā)展的能量資源稱為新能源，相對(duì)于常規(guī)能源而言，在不同的歷史時(shí)期和科技水平情況下，新能源有不同的內(nèi)容。當(dāng)今社會(huì)，新能源通常指核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、氫氣等? 煤的時(shí)代 能源結(jié)構(gòu)的變遷 歷史上，伴隨著新的化石資源的發(fā)現(xiàn)和大規(guī)模開采與應(yīng)用，世界的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了數(shù)次變革。18世紀(jì)的以煤炭替代柴薪，到19世紀(jì)中葉煤炭已經(jīng)逐漸占主導(dǎo)地位。20世紀(jì)20年代，隨著石油資源的發(fā)現(xiàn)與石油工業(yè)的發(fā)展，世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了第二次轉(zhuǎn)變，即從煤炭轉(zhuǎn)向石油與天然氣，到20世紀(jì)60年代，石油與天然氣已逐漸稱為主導(dǎo)能源，動(dòng)搖了煤炭的主宰地位。但是，20世紀(jì)70年代以來(lái)兩次石油危機(jī)的爆發(fā)，開始動(dòng)搖了石油在能源中的支配地位。以此同時(shí)，大部分化學(xué)能源的儲(chǔ)量日益減少，并伴隨著許多環(huán)境污染問(wèn)題。 而人類對(duì)能源的需求卻在與日俱增。例如主要能源形式 地球能源的儲(chǔ)量估計(jì) 煤炭：～200年 石油、天然氣：～50年 核能：無(wú)窮多 之一的電力消耗逐年增加。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，人口若每30年增加一倍，電力的需求量每八年就要增加一倍。 于是，20世紀(jì)末，能源結(jié)構(gòu)開始經(jīng)歷第三次轉(zhuǎn)變，即從以石油為中心的能源系統(tǒng)開始向以煤、核能和其它再生能源等多元化的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。特別是隨著時(shí)間的推移，核能的比例將不斷增長(zhǎng)，并將逐步替代石油和天然氣而成為主要的大規(guī)模能源之一。 化學(xué)能的儲(chǔ)存量 煤炭、石油、天然氣還有多少年可以讓人類開采利用？據(jù)世界能源會(huì)議統(tǒng)計(jì)，世界已探明可采煤炭?jī)?chǔ)量共計(jì)15980億噸，預(yù)計(jì)還可開采200年。探明可采石油儲(chǔ)量共計(jì)1211億噸，預(yù)計(jì)還可開采30～40年。探明可采天然氣儲(chǔ)量共計(jì)119萬(wàn)億立方米，預(yù)計(jì)還可開采60年。必須指出的是，煤炭、石油等直接燃燒用來(lái)生產(chǎn)電能與熱能實(shí)在太可惜了，且不說(shuō)可能帶來(lái)的環(huán)境污染，它們還是很好的化工原料呢！ 水能及新能源的潛力 那么水能呢？我們知道，水力是可以長(zhǎng)期開發(fā)利用的。但是，在那些大面積缺水、水力資源不豐富的國(guó)家和地區(qū)怎么辦？再說(shuō)，水能還有個(gè)季節(jié)性的問(wèn)題。這些都使水能無(wú)法成為世界能源結(jié)構(gòu)中唯一的主力軍。新能源中，太陽(yáng)能雖然用之不竭，但代價(jià)太高，并且就目前的技術(shù)發(fā)展情況來(lái)看，在一代人的時(shí)間里不可能迅速發(fā)展和廣泛使用。其它新能源也是如此。其它一些能源與水能相似，它們的規(guī)模受到環(huán)境、季節(jié)、地理位置等條件的限制，如風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮艿鹊取? 易裂變核素 易發(fā)生裂變的原子只有鈾-235（U235）、钚-239（Pu239）、鈾-233（U233）三種。而天然存在的易裂變?cè)刂挥锈?235，钚-239可由鈾-238生成，鈾-233可由釷-232（Th232）生成。 易聚變核反應(yīng) 氘（D2）-氚（D3）反應(yīng)。氘和氚都是氫原子的同位素。氘天然存在，而氚極少，必須由人工生成（如由鋰制造）。 核能--無(wú)窮的能源 核能分為裂變能和聚變能兩種。目前人類能正在用于和平利用的只有裂變能?？煽鼐圩兡芾眉夹g(shù)正在攻克。 天然鈾的成份 天然鈾中占99.3%為難裂變的鈾-238，僅有0.714%為易裂變的鈾-235。鈾-238可通過(guò)吸收一個(gè)中子變成易裂變的钚-239。 作為發(fā)展核裂變能的主要原料之一的鈾，世界上已探明的鈾儲(chǔ)量約490萬(wàn)噸，釷儲(chǔ)量約275萬(wàn)噸。如果利用得好，可用2400～2800年。 聚變反應(yīng)主要來(lái)源于氘-氚的核反應(yīng)，氘來(lái)可大量自海水，氚可來(lái)自鋰。因此聚變?nèi)剂现饕请弯?，海水中氘的含量?.03克／升，據(jù)估計(jì)地球上的海水量約為138億億米3，所以世界上氘的儲(chǔ)量約40億萬(wàn)噸；地球上的鋰儲(chǔ)量雖比氘少得多，也有2000多億噸，用它來(lái)制造氚，足夠滿足人類對(duì)聚變能的需求。這些聚變?nèi)剂纤尫诺哪芰勘热澜绗F(xiàn)有能源總量放出的能量大千萬(wàn)倍。按目前世界能源消費(fèi)的水平，地球上可供原子核聚變的氘和氚，能供人類使用上千億年。如果人類實(shí)現(xiàn)了氘-氚的可控核聚變，核燃料就可謂“取之不盡，用之不竭了”，人類就將從根本上解決能源問(wèn)題，這正是當(dāng)前核科學(xué)家們孜孜以求的所以。聚變能源不僅豐富，而且安全、清潔。聚變產(chǎn)生的放射性比裂變小的多。 專家們預(yù)測(cè)，核能在未來(lái)將成為人類取之不盡的持久能源。 1.2 變臟的地球與干凈的核電 本節(jié)要點(diǎn)：回答的問(wèn)題以下問(wèn)題：現(xiàn)有的能源還能維持多久？能源利用可以不污染環(huán)境嗎？核能真是可持續(xù)能源嗎？ u 能源的可持續(xù)發(fā)展 必須尋找一些既能保證有長(zhǎng)期足夠的供應(yīng)量又不會(huì)造成環(huán)境污染的能源。 而目前人類面臨的問(wèn)題正是：能源資源枯竭；環(huán)境污染嚴(yán)重。 能源利用與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展 能源危機(jī) 目前世界上常規(guī)能源的儲(chǔ)量有的只能維持半個(gè)世紀(jì)（如石油），最多的也能維持一、二百年（如煤）人類生存的需求。 今天，幾乎所有的工業(yè)化國(guó)家都面臨著兩個(gè)關(guān)系到可持續(xù)發(fā)展的緊密相連的挑戰(zhàn)：保證令人滿意的長(zhǎng)期能源供應(yīng)和減少人類活動(dòng)帶給環(huán)境的影響。能源利用與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展已成為關(guān)系到人類未來(lái)生存與文明延續(xù)的一個(gè)重要問(wèn)題。 能源供應(yīng)危機(jī) 今天的世界人口已經(jīng)突破60億，比上個(gè)世紀(jì)末期增加了2倍多，而能源消費(fèi)據(jù)統(tǒng)計(jì)卻增加了16倍多。無(wú)論多少人談?wù)摗肮?jié)約”和“利用太陽(yáng)能”或“打更多的油井或氣井”或者“發(fā)現(xiàn)更多更大的煤田”，能源的供應(yīng)卻始終跟不上人類對(duì)能源的需求。當(dāng)前世界能源消費(fèi)以化石資源為主，其中中國(guó)等少數(shù)國(guó)家是以煤炭為主，其它國(guó)家大部分則是以石油與天然氣為主。按目前的消耗量，專家預(yù)測(cè)石油、天然氣最多只能維持不到半個(gè)世紀(jì)，煤炭也只能維持一二百年。所以不管是哪一種常規(guī)能源結(jié)構(gòu)，人類面臨的能源危機(jī)都日趨嚴(yán)重。 濃煙滾滾的火電廠 能源對(duì)環(huán)境的污染 另一方面，特別是利用化石能源的過(guò)程也直接影響地球的環(huán)境，使大氣和水資源遭受嚴(yán)重污染。大氣中主要的五種污染物是：氮氧化物（如NO與NO2）、二氧化硫（SO2）、各種懸浮顆粒物、一氧化碳（CO） 大氣污染的主要源頭 目前世界上最嚴(yán)重的大氣污染來(lái)自化石能源燃燒造成的大氣中二氧化碳量的增加。帶來(lái)的主要后果是：酸雨、溫室效應(yīng)和臭氧層破壞。 和碳?xì)浠衔铮ㄈ鏑H4、C2H6、C2H4等）。其來(lái)源主要有三個(gè)方面：① 煤、石油等化石燃料的燃燒；② 汽車排放的廢氣；③ 工業(yè)生產(chǎn)（如各種化工廠、煉焦廠等）產(chǎn)生的廢氣。而其中燃燒化石燃料的火力發(fā)電廠是最大的固定污染源。 表1-1 世界CO2排放量統(tǒng)計(jì)（1995年） 國(guó)名 排放量（百萬(wàn)噸） 人均（噸/人） 百分比 美國(guó) 5228.52 19.88 23.7 中國(guó) 3006.77 2.51 13.6 俄羅斯 1547.89 10.44 7.0 日本 1150.94 9.17 5.2 德國(guó) 884.41 10.83 4.0 印度 803.00 0.86 3.6 英國(guó) 564.84 9.64 2.6 我國(guó)的酸雨區(qū) （黃色部分為pH值低于5.6的區(qū)域，屬酸雨區(qū)；藍(lán)灰色區(qū)域?yàn)閜H值低于4.5的區(qū)域，屬酸雨重災(zāi)區(qū)） 我國(guó)大氣污染屬煤煙型污染，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)是形成以城市為中心的大氣污染的重要原因，排入大氣中的90％的SO2、70％的煙塵、85％的CO2來(lái)自于燃煤。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)CO2的排放量在1995年就已位居世界第二（見(jiàn)表1-1），成為名副其實(shí)的“污染大國(guó)”。 大氣污染對(duì)人體與動(dòng)植物生存危害很大。一個(gè)成年人每天要呼吸一萬(wàn)升空氣，這些大氣污染物將刺激呼吸道粘膜，引起上呼吸道炎癥；刺激眼睛，引起結(jié)膜炎；刺激皮膚，引起皮炎；嚴(yán)重的還將影響人體血液中血紅蛋白輸氧機(jī)能、誘發(fā)腫瘤等。大氣污染已對(duì)全球造成了下面的危害： 酸雨問(wèn)題 酸雨已被公認(rèn)為當(dāng)前全球性區(qū)域環(huán)境污染問(wèn)題之一。酸雨中所含的主要成分硫酸與硝酸，正是來(lái)源于空氣中的SO2和氮氧化物與大氣中水蒸汽的反應(yīng)；生成的酸液隨同雨雪降下形成酸雨。酸雨對(duì)環(huán)境、生態(tài)與生物體的影響十分嚴(yán)重。酸雨進(jìn)入地表、江河，會(huì)破壞土壤，影響農(nóng)作物生長(zhǎng)，造成生物體死亡，森林大面積消亡，破壞生態(tài)平衡。酸雨對(duì)建筑物也有腐蝕作用。 溫室效應(yīng) 溫室效應(yīng) 化石燃料燃燒所放出大量CO2。由于大氣中的CO2容易吸收長(zhǎng)波輻射，所以太陽(yáng)的短波輻射可以透過(guò)大氣層射入地面，而地面溫度增高所放出的長(zhǎng)波熱輻射卻被大氣中逐年增加的CO2氣體吸收，無(wú)法散逸出高空，地球就象蓋上了一層“厚厚的毯子”，處于“溫室”之中，就是所謂的“溫室效應(yīng)”，最終導(dǎo)致地球氣溫變暖。溫室效應(yīng)將導(dǎo)致寒帶和地球兩極的冰川將大量融化，而使得海平面上升，淹沒(méi)地勢(shì)較低的沿海地區(qū)；同時(shí)也會(huì)使干旱地區(qū)更加干熱，形成高溫?zé)崂?，出現(xiàn)更多的颶風(fēng)與龍卷風(fēng)等自然災(zāi)害¼¼。地球?qū)⒃絹?lái)越不適于人類和生物的生存。 臭氧層破壞 包圍地球的大氣層中有一層“保護(hù)膜”，就是臭氧層，它位于距地面25至30公里大氣平流層中，這層“保護(hù)膜”極薄，雖然僅含有不到百萬(wàn)分之一的臭氧，卻對(duì)于地球上的生命非常重要。臭氧層能吸收陽(yáng)光中的紫外線，將這些波長(zhǎng)很短，且有致命危險(xiǎn)的輻射線轉(zhuǎn)換為熱能，使只有極少量能夠到達(dá)地面。 “臭氧空洞” （臭氧空洞變化圖，紅色和藍(lán)色區(qū)為空洞，左為2001年9月圖，右為2002年9月形勢(shì)） 然而現(xiàn)在，這層重要的臭氧層已經(jīng)受到嚴(yán)重破壞。1979－1990年，全球臭氧總量大致下降了3%。南極附近臭氧量減少尤為嚴(yán)重，出現(xiàn)了南極“臭氧空洞”。破壞臭氧層的原因除了氟氯烴物質(zhì)（如含氟氯烴的制冷劑等）排放以外，化石燃料燃燒過(guò)程中放出的氮氧化物也是破壞臭氧層的一個(gè)重要因素。 可見(jiàn)，化石燃料的日益枯竭和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅著人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，只有真正實(shí)現(xiàn)能源利用的可持續(xù)發(fā)展，人類的未來(lái)才有希望，這是我們每個(gè)人必須深切意識(shí)到的重要問(wèn)題。 我們只有一個(gè)地球，為了保護(hù)我們的“地球村”，保護(hù)人類健康，保持生態(tài)平衡，除了改進(jìn)技術(shù)，盡可能地采用先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)化石燃料的潔凈燃燒，減少污染物的排放，更重要的則是必須改變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，減少化石燃料的使用，開發(fā)和利用新能源。 u 核能是可持續(xù)發(fā)展的能源