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　　能源是人类前进的动力, 能源科学的进 步推动着人类生产力的提高, 从而推动着人 类文明不断前进。 所以掌握能源的使用技巧, 掌握能源科学对于人类生活的改变作用巨大。 虽然人类对于能源认识得很早, 但是真正运 用到人类生活、 军事中的时间是很短暂的。 能源科学普及大众人群的工作、 生活中的时 间更是屈指可数。 掌握能源科学, 对于人类自身发展的作 用和重要性不言而喻, 就如同汽油对于汽车 的重要性一样。 人类未来的发展中最重要的 便是能源科学, 现代人类缺少了能源可谓寸 步难行。 能源已经成为人类必不可少的生活 物质, 成为人类维系自身发展的核心动力 之一。 1 能源的种类有很多, 包括人们熟知的太 阳能、 化石燃料、 风能、 水能等。 这些能源 在人类发展过程中扮演着不同的角色, 在人 类科技没有发展到一定程度时, 能源的来源 只能依靠自然生成。 如今能源科技的提炼技 术发展迅猛, 大量新型的煤炭、 石油的提炼 技术使得能源科学有了广阔的发展空间, 使 得能源科学的发展得到了进一步的提高。 但是能源并不是可以无限开采利用的, 因为能源也有可再生能源与不可再生能源之 分。 就算可再生能源的生成也需要一定的时 间, 如果人类使用能源超过了自然循环再生 的极限, 那么这种能源有可能会被人类所 耗尽。 本书结合最新、 最全面的能源知识, 对 一些人类经常使用的能源作了基本的介绍, 让青少年朋友在了解能源的同时, 将节约能 源、 保护地球、 捍卫人类家园的知识运用到 现实生活中。 愿我们的地球更加美丽, 愿人 们的生活更加便捷, 更加幸福。 2 古老先民的恩赐———煤和石油 煤炭的分类 ………………………………………………… 2 煤是怎样炼成的 …………………………………………… 3 煤的液化技术 ……………………………………………… 5 煤的汽化技术 ……………………………………………… 8 煤油和柴油的提炼………………………………………… 12 现代工业对石油的依赖…………………………………… 15 石油的产业链条…………………………………………… 17 石油家族的构成…………………………………………… 18 让人记忆深刻的三次石油危机…………………………… 20 享之不尽的财富———太阳能 认识头顶上的太阳………………………………………… 24 1 太阳能的综合计算………………………………………… 29 太阳能的使用历史………………………………………… 33 太阳能的综合利用………………………………………… 39 怎样把太阳能存起来……………………………………… 40 把太阳能储存起来的电池………………………………… 44 太阳能采暖的建筑………………………………………… 47 太阳能热水器……………………………………………… 50 让太阳帮人类做饭………………………………………… 54 利用太阳能淡化海水……………………………………… 57 太阳能活用于军事领域…………………………………… 59 使用太阳能的交通工具…………………………………… 61 太阳池电站………………………………………………… 69 太阳能发电产业…………………………………………… 71 构想太阳能太空发电站…………………………………… 75 太阳能使用的利弊谈……………………………………… 77 2 大自然的献礼———风能 风从何处来………………………………………………… 80 风的相关知识……………………………………………… 82 这就是风的力量…………………………………………… 85 什么是风能………………………………………………… 87 风能的地域分布…………………………………………… 89 风能发电…………………………………………………… 90 风能发电的新思路………………………………………… 92 让风不再寂寞的风轮机…………………………………… 95 风能的大力发展…………………………………………… 98 利用风来采暖的技术……………………………………… 99 什么叫风力田 …………………………………………… 101 3 海洋的能源探寻———海洋能 海洋能源库 ……………………………………………… 104 海底蕴藏着大量能源矿藏 ……………………………… 113 让人垂涎的海底石油 …………………………………… 116 如何利用潮汐能 ………………………………………… 118 开发潮汐能的探究 ……………………………………… 120 开发海浪能源 …………………………………………… 122 水下的“风车冶———海流发电 …………………………… 127 温差能的利用 …………………………………………… 130 开发海洋生物能 ………………………………………… 132 开发可燃冰资源 ………………………………………… 134 4 能源战略后备力量———新型能源 从原子核中找到的能量 ………………………………… 138 费米和原子反应堆的故事 ……………………………… 144 什么叫氢能 ……………………………………………… 149 有一种能源叫氢能 ……………………………………… 152 怎样制取氢能 …………………………………………… 156 氢是如何被发现的 ……………………………………… 159 如何利用微波能 ………………………………………… 161 来自地底的能源 ………………………………………… 163 地热能利用情况 ………………………………………… 166 生物质能 ………………………………………………… 169 5 科技能源,综合开发 原子能开发的利弊 ……………………………………… 172 欧洲新能源的开发利用 ………………………………… 185 德国太阳能利用 ………………………………………… 187 科学家的设想———在月球上发电 ……………………… 189 我国的太阳能使用现状 ………………………………… 190 法国的节能措施 ………………………………………… 193 美国水资源节约措施 …………………………………… 195 美国的废物利用 ………………………………………… 197 6 煤炭的分类 煤是一种复杂的混合物, 它的主要成分是碳、 氢、 氧和少量的氮、 硫或其 他元素。 氮和硫是煤最主要的杂质, 这些杂质燃烧后会产生大气污染物。 煤中还含有许多放射性元素和稀有元素, 如铀、 锗、 镓等, 这些放射性元 素和稀有元素是科技工业所需的重要原料。 煤的种类很多, 按不同的标准有不同的分类方法: (1) 根据碳化程度, 由低到高可分为泥炭、 褐煤 (棕褐煤、 黑褐煤)、 烟煤 (生煤)、 无烟煤。 其中, 无烟煤的碳化程度最高, 泥炭的碳化程度最低。 (2) 根据岩石结构, 可以分为烛煤、 丝炭、 暗煤、 亮煤和镜煤。 烛煤是由 许多小孢子形成的微粒体组成的煤; 含丝质体的为丝炭; 含粗粒体的为暗煤; 含有镜质体和亮质体的为亮煤; 煤表面光亮, 结构坚实, 含有95%以上镜质体 的为镜煤。 (3) 根据煤中含有的挥发分多少, 可以分为贫煤 (无烟煤, 含挥发分很 低)、 瘦煤 (含挥发分比贫煤高点)、 焦煤 (含挥发分比瘦煤高)、 肥煤 (含挥 发分比焦煤高)、 气煤 (含挥发 分又比肥煤高) 和长焰煤 (含挥 发分最高)。 其中焦煤和肥煤最适 合用于炼焦碳。 一般情况炼焦都 是将多种煤按一定比例混合在一 起炼的。 2 古 老 先 民 的 恩 赐 — — 煤是怎样炼成的 — 煤 和 石 煤的形成过程又叫做植物的成煤过程。 一般认为, 成煤过程分为两个阶段, 油 即泥炭化阶段和煤化阶段。 前者主要是生物化学过程, 后者是物理化学过程。 煤正是由植物残骸经过复杂的生物化学作用和物理化学作用转变而成的。 在泥炭化阶段形成了泥炭或腐泥。 植物残骸是经过了既分解又化合的过程 而形成的, 所以泥炭和腐泥都含有大量的腐殖酸, 但它的组成与植物的组成却 有很大的不同。 煤化阶段首先要经过成岩作用, 即泥炭层在地热和压力的作用下, 发生压 实、 失水、 肢体老化、 硬结等各种变化而成为褐煤。 其密度比泥炭大, 碳含量 相对增加, 腐殖酸含量减少, 氧含量也减少。 其次要经过变质作用。 随着褐 煤的覆盖层的加厚, 地壳继续下沉。 而褐煤在地热和静压力的作用下, 再继续进行物理、 化学变化而被压 实、 失水, 形成了烟煤。 烟煤对于 褐煤而言碳含量增高, 氧含量减少, 腐殖酸已不存在了。 烟煤继续由低 变质程度向高变质程度变化, 从而 出现了低变质程度的长焰烟煤、 气 煤, 中等变质程度的肥煤、 焦煤和 高变质程度的瘦煤、 贫煤。 其中碳 3 含量也随着变质程度的加深而增大。 在成煤的化学反应过程中, 温度有着决定性的作用。 煤的变质程度随着地 层加深, 地温升高而逐渐加深。 并且高温作用的时间愈长, 煤的变质程度愈高, 反之亦然。 如果在温度和时间的同时作用下, 煤的变质过程基本上只是化学变 化过程。 但其化学反应却是多种多样的, 包括脱水、 脱羧、 脱甲烷、 脱氧和缩 聚等。 在煤的形成过程中, 压力也是一 个重要因素。 其中反应速度会随着煤 化过程中气体的析出和压力的增高, 而变得越来越慢, 但却能促成煤化过 程中煤质物理结构的变化, 能够减少 低变质程度煤的孔隙率、 水分, 增加 密度。 随着气候和地理环境的改变, 处于不同地质年代的生物也在不断地发展和 演化。 单就植物而言, 从无生命一直发展到被子植物。 这个演变过程的植物在 相应的地质年代中形成了大量的煤。 在整个地质年代中, 全球范围内有三个大 的成煤期: 古生代的石炭纪和二叠纪, 孢子植物是主要成煤植物, 烟煤和无烟煤是主 要煤种。 中生代的侏罗纪和白垩纪, 裸子植物是主要成煤植物, 褐煤和烟煤是主要 煤种。 新生代的第三纪, 被子植物是主要成煤植物。 褐煤是主要煤种, 其次为泥 炭, 也有部分年轻烟煤。 4 古 老 先 民 的 恩 赐 — — 煤的液化技术 — 煤 和 石 煤是一种高热值能源。 作为一种燃料, 煤与石油相比, 无论从运输和储存 油 方面来看, 还是就其通用性而言, 都有许多不足之处。 早在第一次世界大战期间, 交战双方都痛感石油的重要, 贫油的德国千方 百计地企图把煤变成石油一样的液体燃料, 即人造石油。 德国科学家的努力, 为煤的液化奠定了基础。 煤的液化, 就是指在一定的工艺条件下, 通过各种化学反应, 把固体的煤 炭变成液体的燃料。 煤怎样才能变成石油呢? 原来煤和石油都是由碳、 氢及少 量其他元素组成的, 但这些元素的比例不同, 煤的分子量也比石油大得多。 只 要设法改变碳氢比例, 并将煤热解成较小的分子, 煤就会变成石油样的液体燃 料。 地质年代越浅的煤, 元素组成与石油越相似, 其液化也就越容易, 如褐煤 比烟煤、 无烟煤容易液化。 虽然煤和石油的化学成分基本相同, 都是由碳、 氢、 氧等化学元素组成的。 石油的主要成分是碳和氢, 硫和氧的含量特别少。 而煤却是一种复杂的混合物, 它的分子量很大, 是石油的10倍, 甚至更多。 煤跟石油的另一个主要区别是, 它们所含的碳原子的数目和氢原子的数目 之比不相同, 煤的碳、 氢原子比大约是石油的2倍。 也就是说, 煤的碳原子数 目比石油的多, 而氢原子数目却比石油的少。 但是, 煤的氧原子和氮原子的数 目又比石油的多很多。 另外, 从分子结构上来看, 煤的碳原子主要是环状形式 结合在一起的, 而石油的分子结构主要是链条式。 因此, 科学家就可以设定一定的条件, 像高温、 高压等条件, 向煤的分子 5 里加进大量的氢元素, 把大分子变成小分子, 使它的结构跟石油差不多。 这就 是煤的液化原理。 煤的液化反应实际上很复杂, 要在400 ~480益, 10 ~30 兆帕压力的条件 下, 才能够进行。 煤受热后, 有一部分直接变成油, 另一部分先变成一种不太 稳定的中间产物——— “沥青烯冶, 沥青烯再与氢气反应生成油。 不过, 煤并不 能全部变成油, 其中一些不参加液化反应的物质, 像煤里的灰分等, 也混在里 面。 因此, 液化反应以后, 还需把这些东西从油里分离出去能源。 这时所得到的液 化油是暗褐色的, 还不能直接用做燃料, 还需送到炼油厂再加工bb电子。 细心的人不难发现, 在一块煤上有很多层, 有的乌黑发亮, 有的暗淡无光。 在煤岩学上, 黑色发亮的部分叫亮煤, 又叫镜煤, 它很容易被液化, 因此人们 管它叫活性组分; 那些不容易或不能被液化的部分, 人们称它为惰性组分, 惰 性组分不能变成石油, 最后成渣子, 可以用来制取氢气。 煤的液化技术: 煤的液化技术从开发到现在已有近一个世纪的历史了, 研 究的工艺不下几十种。 大体上可以分成两大类: 一类是直接液化法, 另一类是 间接液化法。 直接液化法, 就是把煤和溶剂混合在一起, 制成稀粥一样的煤浆, 经过加 氢裂解反应, 直接变成液体的油。 目前许多国家都在积极探索和研究这种方法。 间接液化法, 不是直接得到液体油, 而是先把煤炭变成一氧化碳和氢气, 也就是煤的汽化, 然后再把这两种混合气体合成为液体燃料。 现在这种方法已 经开始工业化生产。 液化煤炭技术的几种方式如下: 1郾 间接液化法 (费—托法) 先在汽化器中用蒸气和氧气把煤 气化成一氧化碳和氢气, 然后再在较 高的压力、 温度和存在催化剂的条件 下反应生成液态烃。 南非 (阿扎尼亚) 1956 年投运 6 的第一座费希—托洛希煤炭液化工艺的工厂, 是世界上唯一具有商业规模的液 古 化厂。 日产液化煤炭1万桶 (1桶=159 升)。 产品包括重油、 柴油、 煤油和汽 老 先 油等。 民 的 用费—托法生产液态燃料, 需要经过汽化和液化两段流程, 生产工艺繁杂, 恩 赐 — — 液体产品的收集率不高, 每吨原料煤只能出1郾5桶液体产品。 — 2郾 氢化法 煤 和 分直接加氢液化法和溶剂萃取法两类, 是煤炭液化技术的研究重点。 石 (1) 直接加氢液化法。 这一液化方法的代表性技术是美国烃研究公司的 油 氢—煤法。 它要通过催化剂的帮助, 直接加氢, 从煤中制取液体燃料, 每吨煤 可生产液体燃料3桶。 氢—煤法能否投入工业生产的关键, 是要提供廉价的催化剂和大力降低氢 气的消耗量。 现在的技术, 用氢—煤法每处理 1 吨原料煤需要消耗600 立方米 的氢气, 比其他液化方法高得多, 从而使生产成本降低。 (2) 溶剂萃取法。 美国发展的溶剂精制煤法, 是利用载氢能力好的蒽油和反 应过程中产生的重质油对煤进行萃取, 得到灰分和硫含量很低的固体溶剂精制煤 或液体燃料。 这种方法不使用催化剂, 每吨原料煤可生产2郾5~3桶液体产品。 3郾 热解法 也称碳化法, 是从煤中获取液体燃料最老的一种方法。 如炼焦和生产城市 煤气时得到的副产品煤焦油经过加氢精制就可以得到液态产品。 但是, 现在研 究热解法的目的已经成为获取液态产品的手段了, 而固态和气态产品则仅仅是 这种方法的副产品。 这种方法采用多段流化床热解技术, 不用催化剂, 也不用溶剂萃取, 但油 的收集率低, 只有20%, 半焦占60%, 还副产一些煤气。 7 煤的汽化技术 煤炭是几亿年前到几千万年前, 地球上的植物被埋在地下, 经过压力和高 温等地质作用, 逐渐碳化变成的。 不同的地质年代, 地球上生长的植物不一样, 再加上生成煤的条件又有所不同。 因此人们才能见到褐煤、 烟煤和无烟煤等多 种煤。 但是, 无论哪种煤都是固体, 使用和运输都不方便。 直接烧煤, 热效率 低, 浪费大, 同时还会放出二氧化硫和氧化氮等有害气体, 严重污染环境。 为了改变以上状况, 人类不能再把那么多的煤炭直接烧掉了。 最好的办法 就是把固体的煤炭变成气体, 或者变成液体来使用, 这样既可以提高热效率, 又不会污染环境。 煤的汽化。 煤的汽化就是借助水蒸气、 空气或者氧气等气体, 在高温条件 下, 把煤炭里的大分子结构打碎, 变成小分子的可以燃烧的气体。 煤的汽化可以追溯到1883年, 英国建起了世界上第一个大型汽化炉, 叫伍 德炉。 到今天为止, 人类探索研究煤的汽化工艺不下几百种。 20世纪30 年代, 德国发明了温克勒流化床化炉和鲁奇加压汽化炉, 用来生产城市煤气。 第二次 世界大战期间, 为了军事上的需要, 纳 粹德国用煤汽化所生产的气体曾经合成 了汽油。 20 世纪60 年代以后, 进入了 天然石油时代, 汽化用的大部分原料就 从固体的煤炭转向液体石油。 1973年以 后, 由于天然石油供应紧张, 因此, 煤 的汽化技术的研究又进入一个新的历史 8 阶段。 古 在煤的汽化工业中, 从煤里提取出来的煤气, 有的用作燃料, 成为优质高 老 先 效、 无污染的能源; 有的成为化工原料, 制成各种化工产品。 民 的 如果汽化所生产的煤气是用来做燃料的, 那就必须使煤中的碳同水蒸气的 恩 赐 — — 氧发生化学反应, 即以碳氧的反应为主, 第一步先生成一氧化碳, 然后让它再 — 同水蒸气继续发生化学反应, 生成氢气和二氧化碳混合气体, 经过洗涤, 除去 煤 和 二氧化碳, 剩下比较纯净的氢气。 最后, 它再同煤中的碳发生化学反应, 生成 石 的就是人们需要的气体燃料———甲烷。 油 如果汽化生产的煤气是用来做化工原料的, 就应该减少甲烷的含量, 增加 氢气的含量。 汽化的初期阶段, 大部分灰分变成了灰渣, 从汽化炉下面排出去了, 只有 少部分灰分和氮、 硫等元素一起参加化学反应过程。 为了保证汽化煤气的质量, 减少环境污染, 必须把煤气再做净化处理。 一般来说, 人们把中热值煤气和高热值煤气用于城市煤气, 低热值煤气可 用在化工合成上, 也可用做联合循环发电的燃料。 煤层气———潜在的能源: 煤和煤系地层形成过程中产生的天然气, 称为煤 气, 俗称瓦斯。 是一种高效、 优质、 清洁、 无污染的理想民用燃料和化工原料。 其成分是以甲烷为主的干气, 重烃含量很少。 1立方米煤层气产生约35 530 焦 耳热量, 比1千克标准煤的热量还高。 煤层气是腐殖质在煤化变质过程中热分解的产物, 随着煤化变质程度的加 深, 释放出来的气体量也随之增加。 如1吨褐煤形成时产生38~68立方米煤层 气, 1吨高变质的无烟煤能产生346~422立方米煤层气。 煤化过程中形成的大 量煤层气, 大部分散逸在大气中。 一部分以煤层本身为储气层, 以吸附或游离 状态附存于煤层的孔隙、 裂隙、 缝隙中, 称为煤层气。 这种气一般储量较小。 每吨煤吸附的瓦斯量的多少, 取决于煤的种类、 温度、 压力、 裂隙度、 埋藏深 度、 有无露头和相邻地层的渗透性等因素。 另一部分煤层气则在适当的地质条 件下, 运移到其他地层, 如砂岩、 石灰岩中储存, 在 “生、 储、 盖冶 适合的条 9 件下, 便聚集成气藏。 这种煤层气储量都较大, 往往形成有工业价值的气田。 所谓生, 是指要有聚煤的地质环境和大量腐质有机质聚集, 有使煤变质生 成气的物理、 化学条件; 储, 是指要有一定的地质构造为运移来的煤层气提供 储集场所; 盖, 是指气层上部要有良好的盖层覆盖, 把煤层气圈闭起来。 盖层 以蒸发岩最好, 泥质岩次之, 盖层厚度越大, 分布越广, 形成的气田就越多、 越大。 据统计, 全世界已探明的天然气储量大气田绝大多数为煤层气类型, 且特 大气田的前5名都为煤层气形成。 如前苏联20世纪60 年代发现的西伯利亚特 大型气田, 可采储量达到万亿立方米, 占前苏联天然气可采储量的70%, 占世 界天然气可采储量的22郾7%, 使前苏联20 世纪80 年代的天然气储量和产量比 20世纪50年代中后期猛增数十倍。 又如荷兰东北部格罗宁根大气田, 大气母 岩就是石炭纪含煤地层, 目前已探明天然气储量超过2郾2 万亿立方米。 该气田 发现后, 使荷兰天然气产量增加486倍, 从能源进口国一跃而为出口国。 煤层 气田储量大, 强烈吸引着人们在有煤和煤系地层地区寻找天然气田。 目前, 各工业国家在采煤的同时, 都将抽放的煤气用管道输送出来加以利 用, 每年抽放量超过35亿立方米。 其中俄罗斯 12郾3亿立方米, 德国6郾9 亿立 方米, 美国5亿立方米, 日本2郾8亿立方米, 中国3亿立方米。 以生产 1 吨煤 瓦斯抽放量计, 日本 15郾2 立方米, 法国7郾4 立方米, 德国5郾7 立方米, 中国 0郾5立方米。 埋在地层下的煤, 在地下煤层中直 接汽化后引出煤气。 煤的地下汽化原理: 先从地面打钻井到煤层, 通过钻井压入 空气将煤点燃, 煤层部分不完全燃烧, 形成煤气, 汽化区域产生的煤气从附近 的另一钻井引出抽回地面; 或者从地面 压入高压氢气, 使氢气渗入煤层, 在高 温下煤和氢气反应生成气体燃料。 这种 10 地下汽化法不需要复杂的采掘机械, 不需要挖坑道、 设竖井, 工人不需要地下作 古 业, 劳动强度低, 工作条件获得很大改善。 尤其对于薄煤层、 深层煤和劣质煤矿 老 先 很有吸引力。 煤能够在地下汽化, 这是煤炭工业的一次革命。 目前的困难在于地 民 的 下反应不易控制, 煤气产量不稳定, 另外对地下水的污染问题还没有解决。 恩 赐 — — 煤的地下汽化, 是1863年英国学者威廉 ·西门最早提出来的。 在这100 多 — 年的时间里, 世界各国, 特别是前苏联、 美国、 英国、 德国、 日本、 法国等均 煤 和 进行了煤炭地下汽化实验。 目前有的国家已开始深层煤炭的地下汽化试验。 煤 石 油 的地下汽化的方法有以下几种。 (1) 钻孔贯通法: 在地面上打两个钻孔直达煤层, 通过反向燃烧注入高压 空气等方法在煤层中形成通道。 贯通后汽化燃烧面会调转推进方向, 逐步扩大 和推移贯通通道, 从而不断产生低热值煤气, 由出气口集中输导到地面。 该方 法的关键在于两钻孔间的气流控制和煤的有效利用率。 生产的低热值煤气可供 发电和燃烧。 (2) 充填床法: 先对煤层进行震动爆破, 使煤层松散, 形成透气性的汽化 反应区, 再沿四周从地面打若干入汽孔到煤层顶部, 并打集汽孔直达煤层底部。 从入汽孔送入气化剂点燃煤层顶部, 使其燃烧形成汽化带, 逐步向下和向外扩 展, 不断生成煤气, 通过煤层底部的集气孔送往地面。 该方法用空气和水蒸气 鼓风生产, 其成分主要是甲烷、 一氧化碳、 水蒸气和氧气, 为中热值煤气。 经 地面处理后的管道煤气热值可达35 530焦耳/ 立方米。 (3) 壁炉法: 是利用钻孔和煤层本身的自然裂隙的透气性直接汽化。 从地 面通向煤层的钻孔群是互相平行的定向斜孔, 横卧于煤层内, 形成长壁炉体, 在一对入气孔中注入汽化剂, 并在两个入气孔间点燃煤层, 形成汽化带。 通过 邻近的集气孔向地面输送煤气。 (4) 倾斜煤层汽化法: 沿煤层倾角在煤层中打一排平行钻孔作为集气孔, 并使底端贯通, 在煤层中形成水平通道。 再从地面打垂直钻孔, 使其恰巧与煤 层底部水平通道相通, 作为初期性气孔。 汽化时先在水平通道将煤层点燃, 用 垂直孔输入空气, 由沿煤层的集气孔把煤气输往地面。 11 煤油和柴油的提炼 石油家族中的煤油在日常生活中发挥着重要的作用, 它是最早被人们用来 照明的。 在电灯发明之前, 许多大城市照明用的都是煤气灯。 在电影中经常会出现 这样的镜头: 带有玻璃罩的煤油灯给古老城市的人们带来了点点光明。 为什么不用汽油去点灯呢? 大家都知道汽油的脾气太暴躁。 它一遇火便会 猛烈地燃烧起来, 别说点灯, 就连整个灯架都会被它烧毁。 严重的话, 还会引 起火灾。 那么, 用重油去点灯可以吗? 事实证明根本行不通。 因为重油着火点很高, 因此, 用它点灯实在是太费事了。 煤油的 “性格冶 比较温顺, 着火点不高, 很方便点燃。 而且燃烧起来也不 火暴, 柔和得像古老的菜油灯一样, 因为菜油比煤油贵, 所以菜油灯很快便被 煤油灯取代了, 在城市和许多乡村中一度很流行, 直到电灯出现。 难道从此以后煤油就没有用武之地了吗? 于是有人想用它做内燃机的燃料, 然而它太 “温和冶 了, 根本就无法带动内燃机工作, 因此只能以失败告终。 后来, 人们发现早期的内燃机存在许多不足之处。 工作原理与蒸汽机十分 相似, 是靠活塞的往复运动, 带动曲柄和连杆, 变成圆周运动, 非常麻烦。 于 是, 有人开始想如果取消活塞和汽缸, 让燃气直接推动叶片旋转, 那样内燃机 会工作吗? 1872年, 德国工程师希托首先设计出了热空气式轮机, 并获得了专利。 1906年, 法国工程师阿孟高和列马里共同完成了一台试验性的燃气轮机。 到20 12 世纪30年代, 实用的燃气轮机终于出现了。 古 1928年, 英国科学 老 先 家惠特尔提出, 用燃气 民 的 涡轮机的喷气去推动飞 恩 赐 — — 机, 并且构思出涡轮喷 — 气式发动机 的想法。 煤 和 1941年 5 月 14 日, 喷 石 气式发动机在英国试验 油 成功。 喷气式飞机从此取 代了活塞式飞机, 使航 空事业进入了一个新领域。 有趣的是, 活塞式飞机的发动机烧的是汽油, 而在 喷气式飞机上烧的竟是煤油。 因为喷气式发动机和活塞式发动机结构不同, 喷气式发动机里没有活塞和 汽缸, 因此不存在汽缸的损坏问题, 也就不需要用含 “异辛烷冶 值高的汽油这 样的燃料了。 另外, 喷气式发动机要求燃料在燃烧室内猛烈燃烧产生喷气, 从 而推动飞机飞行。 然而最关键的一点是燃料的发热值要高。 发热值越高, 燃料 的密度也就越大, 飞机上容积有限的燃料箱里能储存的燃料也就越多。 而从 150~250益分馏出来的煤油正符合这些要求。 因此, 用它作喷气式发动机的燃 料再合适不过了。 煤油不仅成了喷气式飞机的理想燃料, 而且还是一种新型汽车所需的燃料, 这种汽车被称为喷气式汽车。 前苏联的莫洛托夫汽车工厂曾研制出一种喷气式 赛跑车, 它就是以普通煤油作燃料, 时速竟然达到300千米。 人们都知道火车是个大家伙, 如果用汽车使用的燃机去开火车, 那消耗的 汽油可就供不起了。 于是, 人们想起了柴油, 柴油可比汽油便宜多了。 不过柴 油可没有汽油那么容易燃烧, 那么, 怎样才能让它在内燃机里燃烧起来呢? 经科学家分析, 柴油在高温的空气里很容易被点燃, 而且一旦点燃, 效果 13 并不亚于汽油。 关键要有高温的空气。 于是, 科学家对燃烧汽油的内燃机进行 了改造, 先让汽缸吸入空气, 再加以压缩, 这样一来, 空气的温度就会急剧升 高。 然后, 再将柴油通过细孔喷射到高温空气中, 高温的空气使柴油形成细雾, 就会在很短的时间内点燃, 这种内燃机被称为 “压燃式内燃机冶。 我们通常称 它为柴油机。 柴油机有许多不足之处。 因为有一套使空气加压的装置, 所以比起一般的 内燃机要笨重一些。 此外, 因为它要加很大的压力, 所以噪声比较大。 另外, 加压需要一定的时间, 因此它的启动速度也比较慢。 然而柴油机的这些缺点, 和它用油便宜的优点相比, 还是很划算的。 比如 说, 柴油机被用来做火车头就比较理想。 火车本身就很笨重, 但再笨重也比带 着大锅炉的蒸汽机火车轻巧许多, 火车在宽敞的火车道上启动, 跟在喧闹的马 路上启动比起来, 启动速度慢一点无关紧要, 噪声大点也无大碍。 用柴油机做火车头的历史已有70 多年了, 这种火车头后来被叫做内燃机 车。 1958年中国开始研制内燃机车, 第一批内燃机车有 “东风冶 “东方红冶 等 型号, 一节机车为2000~4000 马力。 内燃机车的推动方式有多种, 一种是用柴油燃烧产生高温高压燃气来推动 活塞往复运动, 通过连杆带动曲柄旋转, 从而使车辆前进; 另一种是通过柴油 机带动发电机, 再由发电机带动电动机使车轮旋转; 还有一种是用柴油机通过 液压装置带动车轮旋转。 柴油机的热效率较高, 接近总效率的30%, 这要比蒸汽机大3倍。 由于热 效率高, 所以消耗燃料较少, 一次加足油能行驶500 ~800 千米, 并且可以将油 直接存在车上。 柴油机不必消耗大量的水, 可在沙漠和干旱缺水地区工作, 这 样就为中国边远地区开通火车提供了方便。 如今在各个领域都有柴油机的身影, 它越来越受到人们的欢迎, 呈现一片 美丽前景。 14 古 老 先 民 的 恩 赐 — — 现代工业对石油的依赖 — 煤 和 石 石油是一种自然矿物资源, 又称原油, 是从地下深处开采出来的黑色和棕 油 色黏稠液体。 它是由古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化形成的混合物, 属于自然化石燃料。 石油的主要成分是由碳和氢化合形成的烃类化合物, 碳、 氢含量占95% ~ 98%。 各种不同成分的碳氢化合物种类达上千种。 各种化合物的分子大小和沸 点不同, 可以应用分馏法把它们分离出来。 一次加工就可获得汽油、 煤油、 柴油、 燃料油等能源材料, 这些都是国民 经济所必需的。 它的副产品 “裂化气冶 里面, 包含着大量有用的化工原料。 为 了合理地利用这些化工原料, 又形成了深加工工业———石油化工。 石油化工的出现弥补了自然资源的不足。 它的最终产品中有三大人造有机 材料: 人造纤维、 人造橡胶、 人造塑料。 它们改变了世界物资供应短缺状况, 大大地丰富和改善了人们的生活状况。 石油化工还促进农业发展, 由它生产的 氮肥占世界化肥总量的80%。 此外, 农 用塑料薄膜和新型建筑材料都离不开石 油化工。 高科技发展更是离不开石化工业。 航空航天用的以碳纤维为主的各种复合 材料, 使飞机和飞船重量大大减轻。 高 性能的耐烧蚀材料能保护飞船抵抗 15 2000~3000益高温安全返回。 今天的社会中, 人们的衣、 食、 住、 行, 哪一样 都离不开石油化工产品bb电子。 石油成为国民经济和现代生活不可缺少的重要资源。 第一次能源结构大变革———煤炭时期 18世纪, 蒸汽机的发明导致第一次技术革命, 改变了以薪柴为主的传统能 源结构。 煤炭成为工业的主要能源, 因此, 这个时期被称为 “煤炭时期冶。 第二次能源结构大变革———石油时期 19世纪末期发展起来的电力、 钢铁工业和铁路技术, 带动汽车和内燃机技 术的推广发展, 煤炭作为主要能源已越来越不适应社会需要, 石油迅速登上能 源舞台。 特别是 “二战冶 以后, 石油成为主要能源。 在20 世纪70 年代约占总 能源的50%左右。 这个时期被称为 “石油时期冶。 第三次能源结构大变革———新能源开发时期 自1973年开始, 国际上接连出现几次石油大危机。 这使世人认识到, 石油是 一种蕴藏量极其有限的宝贵能源, 一方面必须设法提高利用率, 尽量节省; 另一 方面, 必须采用新的方法寻求替代能源。 从而开始 “新型能源开发应用冶 时期。 据国际能源资料统计和专家预言, 在四大能源中, 适合于经济开采的石油 和天然气资源只能再开采30 年, 最多50 年便将耗尽。 另据地质学家推测, 全 球石油资源总数的一半蕴藏在海底及地壳之下, 尚未发现。 近年来专家估计海 底石油储量在2500亿吨以上, 即使都开采出来, 也仅够人类使用270 年。 煤炭 是两千多年来的传统能源, 它的储量基本上不会增加, 只会减少, 总储量仅够 开采300年。 一场能源危机摆在面前, 它迫使人们尽早采取措施, 在节约能源 的同时, 积极开发新能源, 渡过能源危机。 16 古 老 先 民 的 恩 赐 — — 石油的产业链条 — 煤 和 石 据历史记载, 人类从发现石油至今已 油 有3000 多年了。 世界各地对石油的应用都 很早, 但仅局限于原始应用。 人们只是在 地表上收集油苗, 还没有探索出一种从地 下采油的科学方法。 1627 年, 法国传教士 J郾D郾 戴隆, 在美国伊利湖印第安人居住区 内发现一大片油田, 而且质量很好。 1848 年, 俄罗斯在巴库地区建立起第一口油井, 标志着世界近代石油的开端。 1854 年, 美 国匹兹堡S郾M郾 基尔, 为人类创造了一个商 业性的奇迹。 他成功地从盐井中提炼出石油, 日产量达5 桶。 1859 年美国在宾 夕法尼亚州建立了第一口油井, 预示着石油的美好前景。 1863 年, 美国约翰 · 洛克菲勒开始经营炼油业。 1882年, 美国美孚石油公司正式成立, 同年美国埃克森石油公司也注册成 立, 石油工业开始向更高的台阶迈进, 呈现出一片繁荣景象。 20世纪20年代至30年代, 更为先进的炼油技术呈现在人们面前, 它以法 国人荷德利发明的 “催化裂化法冶 为代表。 该方法是利用热力、 压力和催化剂 将重油裂解为轻油类, 主要是汽油。 还有一种炼油法———聚合法, 它是把小分 子合成为大分子, 将提炼到的较轻气体聚合成汽油及其他液体。 加入多种添加 剂可提高油品的质量, 美国20世纪50 年代车用机油的换油期仅为2800 千米, 17 而添加剂用量还不足5%; 60 年代添加

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