六升七 化学化石燃料课｜认识煤石油天然气

1课程开篇：初识我们身边的“黑色/金色能源”演讲人课程开篇：初识我们身边的“黑色/金色能源”01化石燃料的功与过：文明的推手与环境的挑战02课程总结与展望03目录六升七化学化石燃料课｜认识煤石油天然气作为一名在能源行业从业十余年的一线技术人员，同时也是一位曾经辅导过孩子小升初化学启蒙的家长，今天我想和大家聊聊我们生活中无处不在的“化石燃料”——这些深埋地下亿万年的远古馈赠，支撑了现代文明的运转，也和我们的衣食住行息息相关。这节课我们将从初识到深入，全面认识煤、石油、天然气这三种最常见的化石燃料。01课程开篇：初识我们身边的“黑色/金色能源”1什么是化石燃料首先咱们先明确一个核心概念：化石燃料是指古代生物的遗骸经过亿万年的地质演化形成的可燃性烃类或含烃类混合物，属于不可再生能源。简单来说，它们是远古时期的植物、动物或者微生物死亡后，在缺氧、高压的地质环境中，经过复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体、液体或气体燃料。我们日常接触到的煤、石油、天然气，就是最典型的三类化石燃料。2我与化石燃料的初次结缘我第一次真正直观认识化石燃料，是在小时候跟着爷爷去乡下的煤球厂。那时候北方冬天取暖全靠煤球，爷爷推着小推车去换煤球，我蹲在厂门口看工人把煤粉和黏土混合、压制成型，再晒干成煤球。后来我上大学学了能源相关专业，才知道那黑乎乎的煤球，其实是几亿年前的森林变成的“黑金”。再后来工作后跟着团队去新疆油田、山西煤矿考察，才真正明白这些能源背后的故事。3今天的学习目标这节课我们将完成三个核心学习任务：第一，搞清楚煤、石油、天然气分别是怎么形成的；第二，了解它们的加工利用方式和我们生活中的应用场景；第三，明白它们对人类文明的意义，以及我们该如何合理使用这些珍贵的能源。2认识第一种化石燃料——煤：深埋地下的古植物馈赠1煤的“成长史”：从森林到煤层煤的形成要从距今几亿年前的古生代和中生代说起。那时候地球上的气候温暖湿润，大片的沼泽森林里长满了蕨类植物、裸子植物，比如我们现在看到的煤炭里还能找到古代植物的化石痕迹。当这些植物死亡后，它们会沉入沼泽底部，因为沼泽里积水缺氧，微生物无法完全分解它们的遗体，慢慢就形成了一层厚厚的泥炭层。随着地壳运动，泥炭层会被泥沙、岩石覆盖，随着深度增加，温度和压力不断升高，泥炭中的水分和杂质逐渐被挤出，含碳量不断提升，就变成了褐煤。褐煤的颜色偏深褐色，含水量高，燃烧的时候会冒出很多黑烟，热量也不算高。如果继续深埋，温度和压力进一步升高，褐煤就会变成烟煤——这也是我们最常见的煤种，烟煤燃烧时会有明显的烟雾，但热量比褐煤高很多，是以前工业发电和取暖的主要燃料。如果烟煤再经历上亿年的高压高温演化，就会变成无烟煤：它的含碳量最高，颜色乌黑发亮，燃烧时几乎没有烟雾，火力最猛，是优质的民用和工业燃料。2煤的家族分类：从褐煤到无烟煤咱们可以按碳化程度给煤分个类：褐煤：碳化程度最低，含水量最高，一般用于发电或者作为气化原料；烟煤：碳化程度中等，是目前使用最广泛的煤种，根据挥发分含量又可以分为贫煤、瘦煤、肥煤、气煤等，比如气煤可以用来炼焦；无烟煤：碳化程度最高，含碳量可达90%以上，燃烧效率最高，几乎没有烟尘，常用于民用取暖和高档化工原料。我去年去山西大同的晋华宫国家矿山公园参观，看到展厅里陈列的不同煤种样本，褐煤看起来像褐色的泥土，烟煤是黑色的块状，无烟煤则亮得像黑曜石，讲解员指着煤层断面里的植物化石说：“这就是3亿年前的蕨类植物，它们变成了现在我们用的煤。”当时我家孩子刚好跟着我一起去，她指着化石问：“那要等多久才能变成煤呀？”我就告诉她：“至少需要2亿年，比恐龙存在的时间还要长。”3煤的“变身”：从燃料到化工原料很多同学可能觉得煤就是用来烧的，但其实现代煤化工已经能把煤变成很多我们想不到的东西。最经典的加工方式是炼焦：把烟煤放在隔绝空气的焦炉里加热到1000℃以上，煤就会分解成焦炭、煤焦油和焦炉煤气。焦炭是银白色的块状固体，是炼钢必不可少的还原剂；煤焦油经过分馏可以得到苯、甲苯等化工原料，用来做塑料、染料、医药；焦炉煤气则可以作为燃料，用来发电或者做饭。还有一种技术叫煤的气化：把煤和水蒸气在高温下反应，生成一氧化碳、氢气和甲烷的混合气体，也就是合成气，用它可以生产甲醇、氨气，甚至可以直接合成汽油。以前我在煤化工工厂实习的时候，看到巨大的气化炉冒着白色的蒸汽，工人师傅说：“以前烧煤只是用它的热量，现在我们把煤‘拆’成了零件，再组装成我们需要的产品。”4煤的安全使用与注意事项煤燃烧的时候会产生一氧化碳，如果在密闭的房间里使用，很容易造成中毒。我小时候邻居家就有过因为煤炉没有装烟囱，晚上睡觉的时候一氧化碳中毒的事情，所以现在不管是用煤球还是用煤炭取暖，都一定要保证通风。另外，煤燃烧还会产生二氧化硫和氮氧化物，这些物质会形成酸雨，破坏土壤和植被，所以现在我们都在推广清洁燃煤技术，比如脱硫脱硝，减少污染物的排放。3认识第二种化石燃料——石油：流动的工业血液1石油的“身世”：海洋生物的亿年演化和煤来自陆地植物不同，石油的“祖先”主要是远古海洋里的浮游生物、藻类和小型海洋动物。当这些生物死亡后，它们的遗体沉到海底，和泥沙混合在一起形成沉积层。因为海底的压力很大，而且没有氧气，微生物无法完全分解它们的遗体，经过漫长的时间，这些遗体就变成了一种黏稠的油状液体——石油。石油的形成比煤还要复杂，它需要特定的地质条件：比如要有稳定的沉积盆地，要有不透水的岩层把石油包裹住，防止它流失。我们常说的“油田”，就是石油聚集的地方。我第一次去克拉玛依油田的时候，看到荒漠里的抽油机（也就是大家说的“磕头机”）在不停地上下运动，当地的老师傅说：“这里的石油是2亿年前的海洋变成的，现在我们把它抽出来，送到全国各地。”2石油的“分离魔法”：分馏与加工工艺从地下抽出来的石油是黑色的黏稠液体，叫做原油，不能直接使用，需要送到炼油厂进行加工。最基础的加工方式是分馏：把原油加热到不同的温度，利用不同成分的沸点不同，把它们分成不同的馏分。比如在分馏塔里，从下到上温度逐渐降低，沸点最高的重油会在塔底凝结，然后是柴油、煤油、汽油，最上面的是石油气。这个过程是物理变化，因为没有生成新的物质，只是把不同的成分分开了。但是分馏得到的汽油产量不够高，不能满足汽车的需求，所以我们还会用到裂化工艺：把重油在高温和催化剂的作用下分解成小分子的汽油，这个过程是化学变化，因为生成了新的物质。现在的炼油厂还会有加氢精制、催化重整等工艺，把石油加工成更清洁、更优质的燃料和化工原料。3石油的“子孙后代”：我们身边的石油制品很多同学可能觉得石油就是用来做汽油、柴油的，但其实我们生活中几乎所有的东西都和石油有关。比如我们穿的衣服，很多合成纤维比如涤纶、锦纶都是石油化工产品；我们用的塑料杯子、塑料袋、塑料玩具，也是石油做的；甚至我们用的牙膏、化妆品、药品里的一些成分，也来自石油化工。我家孩子的书包带是尼龙的，她的铅笔盒是塑料的，她的运动鞋底是橡胶的——这些全都是石油的“子孙”。有一次她问我：“那如果没有石油，我是不是就不能用这些东西了？”我告诉她：“没错，石油就像工业的血液，没有它，很多我们日常用的东西都做不出来。”4我亲历的石油运输故事2018年我跟着团队去甘肃的输油管道施工现场，那时候正是夏天，沙漠里的温度高达40℃，工人师傅们穿着厚厚的防护服，在管道上焊接。我问他们：“这么热的天，你们不觉得累吗？”其中一个师傅笑着说：“累是累，但我们铺的管道能把新疆的石油送到甘肃，让更多地方用上干净的燃料，这也是在做贡献。”那天我们在施工现场待了三个小时，每个人的衣服都湿透了，但我觉得特别有意义——原来我们每天用的汽油，背后是这么多工人的辛苦付出。5石油开采与加工的安全要点石油是易燃易爆的液体，所以在开采和运输的过程中，一定要注意防火防爆。比如在加油站里，我们不能抽烟，不能用手机，就是因为汽油的蒸汽遇到明火会爆炸。炼油厂的工人也要严格遵守安全规程，比如在进入油罐之前，要先通风换气，检测氧气含量，防止中毒或者爆炸。4认识第三种化石燃料——天然气：清洁的绿色燃料1天然气的“诞生”：与煤、石油相伴的能源天然气和石油常常“相伴而生”，有时候石油里会溶解一些天然气，有时候天然气会单独形成气田。天然气的主要成分是甲烷（CH4），是一种无色无味的气体，为了方便人们发现泄漏，我们会在天然气里加入一种有臭味的添加剂，也就是我们平时闻到的类似臭鸡蛋的味道。天然气的形成过程和石油类似，也是远古海洋生物的遗体经过亿万年的演化形成的，只不过它的分子更小，更容易挥发。还有一种天然气叫做页岩气，它储存在页岩层里，需要用特殊的开采技术才能抽出来，也就是我们常说的“页岩气革命”。2天然气的“性格”：清洁高效的优势和煤、石油相比，天然气有很多优势：首先，它的燃烧产物主要是二氧化碳和水，几乎没有二氧化硫和氮氧化物，不会形成酸雨，也不会产生颗粒物，是三种化石燃料里最清洁的；其次，天然气的燃烧效率很高，同样的热量，天然气比煤和石油更节省；最后，天然气运输和储存都比较方便，可以通过管道输送，也可以压缩成液化天然气（LNG）用船运输。我家现在做饭用的就是天然气，每次打开燃气灶，蓝色的火焰很稳定，没有黑烟，也没有异味，比以前用的煤气干净多了。3天然气的应用场景：从做饭到发电天然气的应用非常广泛：首先是民用领域，比如做饭、热水器、取暖；然后是工业领域，比如发电、炼钢、化工生产；还有交通领域，很多公交车、出租车都用天然气作为燃料，也就是我们常说的“CNG汽车”。以前我在重庆的时候，看到很多出租车的后备箱里都装着天然气罐，司机师傅说：“用天然气比用汽油便宜，而且更干净。”还有一种应用是天然气发电，和烧煤发电相比，天然气发电的污染更小，而且启动速度更快，可以用来调节电网的负荷。现在很多大城市都在推广天然气发电，减少雾霾的产生。4我家使用天然气的安全小故事去年我们家新装了天然气热水器，安装师傅特意给我们讲了安全注意事项：首先，热水器要装在通风的地方，不能装在卫生间里；其次，要定期检查燃气管道的接口，用肥皂水涂在接口处，如果冒泡就说明有泄漏；最后，如果闻到臭味，要立刻打开窗户通风，关闭燃气阀门，不能开灯或者用明火。有一次我们家的燃气灶突然打不着火，我按照师傅说的方法，用肥皂水检查了管道接口，发现是软管老化了，赶紧换了新的。这件事让我意识到，天然气虽然清洁，但安全使用非常重要。5天然气的输送与储备我国最大的天然气输送工程是西气东输，它把新疆塔里木盆地的天然气送到上海、广东等东部地区，全长几千公里，解决了东部地区的能源短缺问题。除了管道运输，我们还会把天然气压缩成液化天然气，用专门的LNG船运输到世界各地。为了保证天然气的供应稳定，我们还会建设天然气储备库，比如地下储气库，在天然气充足的时候储存起来，在供应紧张的时候拿出来使用。02化石燃料的功与过：文明的推手与环境的挑战1功在当代：推动人类现代化进程化石燃料对人类文明的推动作用是不可磨灭的。18世纪的工业革命，就是以煤炭的大规模使用为标志的，蒸汽机烧煤，带动了机器生产的发展，让人类从农业社会进入了工业社会。后来石油的发现，让汽车、飞机、轮船等交通工具得以普及，大大缩短了人与人之间的距离。天然气的使用，则让我们的生活更加清洁和方便。可以说，我们现在的生活，离不开化石燃料：我们用的电，很多是烧煤或者烧天然气发的；我们坐的汽车，用的是汽油或者柴油；我们穿的衣服、用的日用品，很多都来自石油化工。如果没有化石燃料，我们的生活会回到几百年前的样子，没有电灯、没有汽车、没有塑料产品。2过在未来：不容忽视的环境代价但是化石燃料的大量使用，也给我们的环境带来了很大的问题。首先是温室效应：化石燃料燃烧会产生大量的二氧化碳，二氧化碳是一种温室气体，会让地球的温度升高，导致冰川融化、海平面上升、极端天气增多。比如近几年的极端高温、暴雨、山火，都和温室效应有关。12还有一个问题是化石燃料是不可再生资源：它们的形成需要亿万年的时间，而人类使用它们的速度却非常快，按照现在的消耗速度，石油和天然气只够再用几十年到一百年，煤也只能用几百年。所以我们必须要节约使用化石燃料，同时开发可再生能源。3其次是空气污染：煤和石油燃烧会产生二氧化硫、氮氧化物和颗粒物，这些物质会形成酸雨，破坏土壤和植被，还会导致雾霾，影响人们的身体健康。我小时候北京的冬天经常有雾霾，能见度只有几百米，现在我们推广了清洁能源，雾霾天气少了很多。2过在未来：不容忽视的环境代价5.3我们能做什么：合理使用与清洁能源转型作为中学生，我们可以从身边的小事做起，节约化石燃料：比如随手关灯、关电脑，减少用电；少开私家车，多坐公交车、骑自行车或者步行；节约用纸，因为纸是用木头做的，间接节约了煤炭；垃圾分类，减少垃圾的焚烧，降低污染物的排放。同时，我们国家也在大力发展清洁能源，比如太阳能、风能、水能、核能、生物质能等。比如我们家屋顶上就装了太阳能热水器，每年可以节约不少电费；我工作的工厂旁边也有风力发电机，用风力发电来给工厂供电。这些清洁能源都是可再生的，不会产生污染物，是未来能源发展的方向。03课程总结与展