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2011 年 04 月 17 日 / ctkuo

淺談石化能源(四):煤炭


作者:歐陽孚 / 編輯:郭致廷

無煙煤
圖片來源:維基百科(http://en.wikipedia.org/wiki/Coal)

煤炭是什麼?

煤炭(coal)是一種黑色或褐色的沉積岩,主要成分是碳,次成分有氫、氧、硫…等。可做為燃料,最重要的用途是火力發電。根據美國能源情報署(EIA)的資料,美國在2010年生產的電力有44.9%來自煤炭;若放眼全球,EIA的〈International Energy Outlook 2010〉告訴我們,煤炭在2007年供應了全球42.0%的電力。

煤炭的來源和石油不同。我們在〈淺談石化能源(二)─石油與天然氣(上)〉曾經提過,石油的來源是遠古時代的海藻與浮游生物之遺骸;然而煤炭的來源則是遠古時代的植物(特別是許多已絕跡的巨大品種)之莖、葉,在沼澤地區的保護下,逃過了生物分解與氧化作用而不斷沉積,最後受到壓力與溫度影響所形成。


煤炭形成過程示意圖

煤炭一共可分為四種等級,品質由高至低分別為:無煙煤(anthracite):約有95%的成分是碳;煙煤(bituminous coal):約有85%是碳;褐煤(lignite):約有70%的成分是碳;泥煤(peat):僅有50%的成分是碳。等級高低也代表了燃燒熱質的高低,因此無煙煤是最好的煤炭,通常用來供應商用或是家用的暖氣;煙煤和褐煤則主要做為電廠的發電燃料;而泥煤嚴格說來是煤炭的前身,是原料還未受到溫度與壓力作用時的型態,碳含量與燃燒熱質最低,但在某些地區仍然被當作燃料使用。也有一些分類方式不列入泥煤,而是在煙煤與褐煤之間,再細分出次煙煤(sub- bituminous coal)或稱為亞煙煤,以二分法區分煤炭好壞時,常把無煙煤與煙煤歸在高品質的那一類,而把次煙煤和褐煤歸類在較差的那一邊。

煤炭蘊藏量與使用狀況

根據BP的〈Statistical Review of World Energy 2010〉所示,煤炭蘊藏量前三大國家分別為:美國(28.9%)、俄羅斯(19.0%)、中國(13.9%),而根據目前全球的使用速率來看,煤炭的耗竭年限約為119年。與我們在〈淺談石化能源(二)〉與〈淺談石化能源(三)〉時提及的石油45.7年與天然氣62.8年相比,煤炭的耗竭問題似乎不是那麼急迫,然而一個重要的事實是:煤炭應用是最主要的二氧化碳人為排放因素,特別是火力發電,是加遽或減緩全球暖化的關鍵角色。

另外還一些有趣的數據值得我們注意:中國擁有全球第三的龐大煤炭蘊藏量,然而他們自有蘊藏量的耗竭年限卻只有38年,理由是他們的生產速率是全球最高,在2009年時佔全球生產量的45.6%,而同一時間美國僅有15.8%而已。若從消耗面看起,則中國佔2009年全球煤炭消耗量的46.9%,美國則是15.2%。然而美國的耗竭年限卻還有245年,也就是說雖然這兩個超級大國都是煤炭市場的主要玩家,但中國其實處於比較不利的地位,事實上,從2008年底,中國政府已經開始增加煤炭的輸入量;而他們目前對於煤炭的零關稅政策,也顯示出對於進口的需求與企圖。

煤炭的開採與汙染

在地底有煤碳蘊藏的區域被稱作煤層(coal seam)。當煤層的深度較淺(小於100公尺)時,開採程序較為容易,可由機具在地面開挖,將土石不斷移除直到抵達煤層,然後直接將煤礦挖出來,這種方式屬於露天開採(surface mining)。露天開採依地形不同會有相異的開採策略,有時甚至需要佐以炸藥來抵達煤層,隨著開採的進行越來越多的土石會被移除,因此會對地貌造成明顯的改變。這種開採方式除了對煤層其上的生態系統與水土保持造成直接傷害外,也同樣會影響廢土傾倒地點,因此總是爭議不斷。關於水土保持部分,當代許多礦場會在開採時分離並收集表土(topsoil),在煤層開採結束後,會將原本移除的岩石回填,然後再將表土鋪於其上,此舉有助於植被生長,改善水土流失的情況。

露天開採實景
圖片來源:維基百科

至於深層的煤碳則需要使用「豎井開採(shaft mining)」,由地面往下建造一個通往煤層的豎井後,工作人員可以由地面搭電梯抵達,操作一種能將煤碳粉碎並不斷開路的機器,在地底開通出迷宮一般的地道,有些地下礦坑甚至深達300公尺。這種開採方式雖然對地貌影響較小,卻高度危險,因為由沉積岩構成的坑道並不堅固而且有崩塌可能,同時在其中工作的人員若沒有良好的空氣過濾設備,長期吸入礦坑內的煤塵會使他們得到肺塵病。此外,煤炭礦坑中常有以甲烷為主的天然氣累積其中,當到達一定濃度時,微小的火花就能引起致命的礦坑爆炸,因此豎井開採是高度危險的工作,在煤礦開採的歷史中就有難以計數的工安事故。煤層的火災是一個非常難以處理的問題,常常只能任其延燒終至所有可燃物燒盡為止,而目前全球至少還有數千處煤層火災正在持續延燒。這種火災可能是人為的、也可能是天然的,前者例如中國的煤炭礦坑,估計每年約有與總生產量20%相當的煤炭被操作不慎所引起的火災燒掉,除了資源浪費以外,所帶來的空氣汙染更是嚴重的問題。美國賓州(Pennsylvania)的Centralia小鎮就曾因為1962年的礦坑火災造成地盤下陷以及有毒煙霧排放,最後被迫全鎮撤離。而自然形成的火災,最有名的例子是澳洲的Burning Mountain,估計已經悶燒了6000年以上。

豎井開採示意圖
圖片來源:EIA

煤碳從地下被開採出來後,通常還要送入煤碳處理廠內,去除掉石塊、灰塵、硫以及其他不需要的物質,藉以增加燃燒熱質並降低使用後造成的空氣汙染。經處理後的煤碳在進入最終使用者手中前還需經過運輸,可以經由輸送帶(近距離)、火車、船隻,甚至是管線,視運輸地點的遠近不同,有時運輸成本還比開採成本來得高。因此美國雖然是產煤大國,但某些沿岸地區仍然由其他國家進口,原因即是利用海運由國外輸入可能比國內的鐵路運輸更為划算。

燃燒煤炭除了會產生造成溫室效用的二氧化碳,還會排放形成酸雨的二氧化硫與氮氧化物、影響人們呼吸的微塵,甚至是足以造成人類與其他動物神經傷害的水銀。對付這些問題,可以藉由改善開採後清理煤炭的處理程序,或是改進燃燒廢氣排放前的淨化手續以獲得成果。另外,「碳捕捉與封存技術(carbon capture and sequestration, CSS)」可在煙囪排放廢氣前,先將二氧化碳分離出來,收集之後再藉由管線輸入地底或深海儲存,以降低進入大氣中的二氧化碳數量。

碳捕捉技術與火力發電系統整合

《淺談石化能源系列》結語

本系列文章洋洋灑灑寫了近一萬字,介紹了許多石化能源的背景知識給各位讀者,然而大部分的內容其實都是在提醒兩個重點:一是形成石化能源是相當珍貴且耗時的過程,人類如果依照目前的速率繼續開採,在你我有生之年很可能就會見到它們耗竭;二是取代石化能源並不是一蹴可幾的工作,無法用現有的技術輕易達成,因此發展替代能源是必須的也是急迫的任務。

在石化能源減量的這條道路上,有兩件事情需要同時進行:一是改善使用石化能源的相關技術,以提高能源使用效率並降低汙染;二是發展與部署替代能源,逐步扛下石化能源的重擔。說穿了,也不過就是「節流」與「開源」雙管齊下,筆者認為這兩件工作都值得有志之士投入與研究,而我們BioEnergy Today部落格的作者群相信生質能源是所有技術中最有潛力快速做出顯著貢獻的一種,因此我們才持續關注這個產業,並在此分享我們整理的資訊與心得。下一個系列的專欄我們將帶領各位讀者更深入地了解生質精鍊(bio-refinery)相關技術,希望各位讀者持續捧場。

相關文章:
淺談石化能源(一) ─ 石化能源使用現況
淺談石化能源(二) ─ 石油與天然氣(上)
淺談石化能源(三) ─ 石油與天然氣(下)

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