书城教材教辅能源科学知识(青少年科普知识阅读手册)
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第7章

世界上大陆架的面积约有2700多万平方千米。大陆架和深海(如海沟带)之间,还有段很陡的斜坡,称为大陆坡,已发现这里也有大量的油、气资源。大陆坡的面积比大陆架还要大,有3800多万平方千米。两者合计,相当于陆地沉积岩盆地面积的2倍。海洋的这些区域具有形成油、气积聚层需要的最好的地质条件,通常这是地壳稳定拗曲区域,覆盖着非常厚的沉积物,陆地的油矿与气矿一般是与这样的地带联系着的。

大陆架是陆地的直接延续,大约在1万多年前也曾经是陆地的一部分。人们对大陆架的碳氢化合物的形成规律有了比较透彻的研究。已发现深海盆地也有大量油、气资源。在墨西哥的深达3500多米的海渊中钻井,探明有含油沉积岩层。因此,大陆坡将成为人们向海洋探寻油气宝藏的场所。

目前,全世界石油总产量中,将近30%来自海底。海底天然气所占比例接近总产量的12%。现在大部分拥有出海口的国家均在从海底寻找并开采石油与天然气。据估测,全世界可采石油储量3000亿吨,其中海底石油约1350亿吨,迄今已发现海洋油气田1600多个,已有40多个国家的海域在生产石油和天然气。几乎所有的大陆架都成为勘探、开发石油的对象和场所,都是很有希望的海洋油气区。

海洋热能

普通热机用水作工质,热源加热工质,产生蒸汽,驱动汽轮发电机发电,排出废汽被冷凝器冷却,凝结水送回锅炉,继续被加热,循环使用。海洋热能主要来自太阳能。

世界大洋的面积浩瀚无边,热带洋面也相当宽广。海洋热能用过后即可得到补充,很值得开发利用。海水温差发电技术,是以海洋受太阳能加热的表层海水(25~28℃)做高温热源,而以500~1000米深处的海水(4~7℃)做低温热源,用热机组成的热力循环系统进行发电的技术。从高温热源到低温热源,可能获得总温差15~20℃左右的有效能量。最终可能获得具有工程意义的11℃温差的能量。

据计算,从南纬20°北纬20°的区间海洋洋面,只要把其中一半用来发电,海水水温仅平均下降1℃,就能获得600亿千瓦的电能,相当于目前全世界所产生的全部电能。专家们估计,单在美国的东部海岸由墨西哥湾流出的暖流中,就可获得美国在1980年需用电量的75倍。据海洋学家估计,全世界海洋中的温度差所能产生的能量达20亿千瓦。

海洋热能转换

海洋热能转换(OTEC)——来自海洋的能源。这就是利用被太阳照热的海水与海面下约762米深处的冷水之间的温差来产生电力。OTEC不受变换不定的海浪和潮汐的影响。只要太阳照射在洋面上,这种燃料就是免费的。因为储存在海洋中的太阳能是取之不尽的。

在本质上,海洋是地球上最大的太阳能收集器。它每年收集的能量约为37万亿千瓦,是全世界人类所消耗电力的4000倍!在典型的1平方千米的洋面蕴含的能量相当于1万多桶石油。同其他海洋能源相较,OTEC的优越性是显而易见的。比如海浪和洋流的动能较低,起伏不定,不能始终如一而稳定地带动发电机。

海洋矿产资源

海洋矿产资源又名海底矿产资源,包括海滨、浅海、深海、大洋盆地和洋中脊底部的各类矿产资源。按矿床成因和赋存状况分为:

(1)砂矿,主要来源于陆上的岩矿碎屑,经河流、海水(包括海流与潮汐)、冰川和风的搬运与分选,最后在海滨或陆架区的最宜地段沉积富集而成。如砂金、砂铂、金刚石、砂锡与砂铁矿,及钛铁石与锆石、金红石与独居石等共生复合型砂矿;

(2)海底自生矿产,由化学、生物和热液作用等在海洋内生成的自然矿物,可直接形成或经过富集后形成。如磷灰石、海绿石、重晶石、海底锰结核及海底多金属热液矿(以锌、铜为主);

(3)海底固结岩中的矿产,大多属于陆上矿床向海下的延伸,如海底油气资源、硫矿及煤等。在海洋矿产资源中,以海底油气资源、海底锰结核及海滨复合型砂矿经济意义最大。

世界大洋海底锰结核的总储量达30000亿吨,仅太平洋就有17000亿吨,其中含锰4000亿吨,镍164亿吨,铜88亿吨,钴58亿吨。主要分布于太平洋,其次是大西洋和印度洋水深超过3000米的深海底部。以太平洋中部北纬6°30′~20°、西经110°~180°海区最为富集。估计该地区约有600万平方千米富集高品位锰结核,其覆盖率有时高达90%以上。

世界96%的锆石和90%的金红石产自海滨砂矿。复合型砂矿多分布于澳大利亚、印度、斯里兰卡、巴西及美国沿岸。金刚石砂矿主要产于非洲南部纳米比亚、南非和安哥拉沿岸;砂锡矿主要分布于缅甸经泰国、马来西亚至印度尼西亚的沿岸海域。

我国近海水深小于200米的大陆架面积有100多万平方千米,某中含油气远景的沉积盆地有7个:渤海、南黄海、东海、台湾、珠江口、莺歌海及北部湾盆地,总面积约70万平方千米,并相继在渤海、北部湾、莺歌海和珠江口等获得工业油流。在辽东半岛、山东半岛、广东和台湾沿岸有丰富的海滨砂矿,主要有金、钛铁矿、磁铁矿、锆石、独居石和金红石等。

海上钻探设备

活动式钻井装置具有容易移动,能适应各种水深等特点,因而发展比较快。1949年这种设备才问世,到40年后的1989年世界各国活动式钻井装置已达到689座,其中自升式钻井装置415座,占60%;半潜式钻井装置172座,占25%;钻井船63艘,占9%;座底式钻井装置39座,占6%。同时实现了钻井设备的自动化和自动控制技术,完善了钻井计算机控制系统与网络系统,使用了无线电声学定位技术和卫星数据传输技术,以及高精度的动力定位技术等。新型的钻井设备不断出现。美国国家供应公司制造出1630-E型钻机,其最大钻探能力可达9150米,另外一种2050-E型钻机,最大钻探能力可达15250米。德国威尔士公司制造的GH3000型钻机,它的钻探能力超过8000米。

进入20世纪90年代以后,钻井设备向浮动化、大型化方向发展,设备的抗波和抗冰能力、耐久性以及稳定性增强。钻探设备中半潜式和钻井船所占的比重逐渐增大,自升式钻井设备向大型、深水发展,并逐渐实现可以自航的钻井设备。

海上核电站

在海上建造核电站,有其独特的优点:

(1)核电站的造价要比陆地上的造价低,这一点很吸引人,因为在同样的投资条件下可以建造更多的海上核电站;

(2)在选择核电站站址时,不像陆地上那样要考虑地震、地质等条件,以及是否在居民稠密区等各种情况的影响,因而选择的余地大;

(3)海上的工作条件几乎到处都一样,不存在陆地上那种‘因地而异’的种种问题。这样,就可以使整个核电站像加工产品一样,按标准化要求以流水线作业方式进行制造,从而简化了生产过程,便于生产和使用,可大大降低制造成本,缩短建造周期。

由于人们对海上核电站的安全性等问题的看法不同,所以海上核电站虽然有许多特长但仍然没有得到迅速的发展和应用。

有人可能担心海上核电站的安全问题,认为核反应堆会将放射性的物质排入海水,影响水中生物和人类的生存与安全。其实,这种忧虑完全是多余的,因为海上核电站和陆地上的核电站一样,都有专门处理废水、废料的措施和方法,绝不会把带放射性物质的废水直接排放到海水中。从世界上第一座核电站的建立到现在,几十年的实践证明,核电站是很安全的,没有出现过类似的污染现象。而且与人们担心的情况相反,由于海上核电站建有较高大的防波堤,能引来鱼、虾的回游,对于海洋生物的养殖和捕捞非常有好处。

海底核电站

海底核电站是人们随着海洋石油开采不断向深海海底发展而提出的一项大胆设想。实际上,20世纪70年代初期,独特新颖的海底核电站的蓝图已经绘制出来。此后,世界上不少国家都在积极地进行研究和实验,提出了各种设计方案。

在勘探和开采深海海底的石油和天然气时,需要陆地上的发电站向海洋采油平台远距离供电。为此,就要通过很长的海底电缆将电输送出去。这不仅技术上要求很高,而且要花费大量的资金。如果在采油平台的海底附近建造海底核电站,就可轻而易举地将富足的电力送往采油平台,而且还可以为其他远洋作业设施提供廉价的电源。

海底核电站在原理上和陆地上的核电站基本相同,都是利用核燃料在裂变过程中产生的热量将冷却的水加热,使它变成高压蒸汽,再去推动汽轮发电机组发电。但是,海底核电站的工作条件要比陆地上的核电站苛刻得多。

海洋石油117号

我国第一艘完全自主设计并建造的30万吨级海上浮式生产储油轮(FPSO)“海洋石油117”号,在上海命名交付。这是国内迄今为止建造的吨位最大、造价最高、技术最新的FPSO建造项目,标志着我国在FPSO领域的设计与建造已居世界先进行列。

该船船体为双底双壳结构,船长323米,型宽63米,相当于3个标准足球场的面积。从船底到烟囱71米,相当于24层楼高。可日加工19万桶合格原油,储油能力可达200万桶原油,配有140人工作居住的上层建筑及直升机平台。该船设计寿命25年,通过安装在船艏的软刚臂单点系泊装置,长期系泊于固定海域,25年不脱卸,可抵御百年一遇的海况。

海相生油

海相生油是海相沉积层生成石油的泛称。海相生油将成为世界油气勘探的主要趋势。

“海相生油”理论认为,浅海之中生活着极小的动物——“浮游生物”,每年都有大量的浮游生物死去并且沉到海底。河流又把大量枯萎的植物和淤泥带到海洋,植物和浮游生物混合在一起,然后淤泥和盐分又把它们覆盖起来,于是在海底形成一种沉积物。当这些植物和动物腐烂时,沉积物中就开始生成油气。这一过程不断地进行着。因此,淤泥沉积物越积越厚。海水加在淤泥上的压力很大,使淤泥变成坚硬的岩石,即海相沉积岩。这种富含有机质的海相沉积岩,就是海相生油岩。欧洲、美洲、中东等许多地区,都找到了海洋环境生成的大量石油。

海上风力发电

20世纪70年代石油危机以后,开始了风能利用的新时代。在一些地理位置不错的陆地上,风能的开发具有一定的经济价值,而人们在另外一个前沿,发现开发风力发电的经济性也相当不错:海上风能。世界上很多国家开始制定计划,考虑开发海上风电场。海上风电场的风速高于陆地风电场的风速,但海上风电场与电网联接的成本比陆地风电场要高。综合上述两个因素,海上风电场的成本和陆地风电场基本相同。兆瓦级的风机,廉价的基础以及关于海上风条件的新知识更加提高了海上风电的经济性。研究人员和开发者们将向传统的发电技术进行挑战,海上风力发电迅速发展成为其它发电技术的竞争对手。

淮南煤田

淮南煤田是中国华北聚煤区南侧的石炭二叠纪煤田。它位于安徽省中北部,以淮南市为主体,东部伸入滁县地区,西部延展到阜阳附近,平面呈北西西向长椭圆状,长约100千米,宽度20~30千米,面积2500千米。煤田跨淮河两岸,因开发从南岸开始,故名淮南煤田,后经勘探在淮河北岸更大范围内见煤,但仍沿用原名。

淮南煤田地质构造

淮南煤田为一轴向北西西的复向斜构造,主要由上古生界组成,下古生界位于煤田南、北两侧,煤田普遍被第四系覆盖。煤田南、北边缘有低角度走向逆断层发育,造成下古生界几度逆覆于上古生界之上。在复向斜中,有一组北东向的正断层发育,将上古生界切割成阶梯状块段。石炭二叠纪煤系广泛赋存于复向斜中,并往往形成次一级褶皱。燕山期岩浆活动多以小型细晶岩、煌斑岩岩脉、岩床侵入煤系,对煤层局部有影响。

淮南煤田煤系

淮南煤田含煤地层为华北型石炭二叠纪煤系,包括:晚石炭世本溪组、太原组,早二叠世山西组及下石盒子组和晚二叠世上石盒子组。主要含煤地层为二叠纪上石盒子组、下石盒子组和山西组,石炭纪地层基本不含可采煤层。

本溪组:由浅海相、近海相薄层石灰岩和铁铝质土岩组成,一般厚5~10米。

太原组:由浅海相夹滨海相石灰岩、泥岩、砂岩夹薄煤层组成,石灰岩有10~13层,薄煤层有8~11层,其中1~2层局部可采。一般全组厚100~120米。

山西组:由滨海相砂岩、泥岩及煤层组成,一般厚60~70米,含煤层1~3层,煤层总厚7米左右。

下石盒子组:由陆相泥岩、粉砂岩、砂岩、鲕状泥岩及煤层组成,厚100~150米。含煤层13~16层,大部可采,煤层总厚18.73米。

上石盒子组:由陆相砂岩及泥岩组成,中下部岩石颜灰,含煤层总厚13.09米;上部岩石为红、绿、黄等杂色色调,含薄煤层3~5层,均不可采。全组厚600~800米。

淮南煤田资源

淮南煤田是我国东部尚存煤炭量最大的煤田。在负1200米以上煤炭资源量达300亿吨,负1000米以上为200亿吨。已探明储量153亿吨,其中精查储量108亿吨。淮河以南的老矿区,产出1/3焦煤和极少量的气煤;淮河以北的潘集矿区,主产气煤;煤中灰分以中等偏高为多,硫分一般较低,属较好的炼焦用煤。煤系中还共生有耐火黏土矿,于“谢家集-新庄”一带已查明储量61,淮南老矿区煤矿深部瓦斯含量较高,有较好抽放利用前景。

淮南煤田开采地质条件

淮南煤田以中厚倾煤层为主,构造复杂程度中等,一般开采条件尚可。第四系松散层厚0~800米,由东向由南向北增厚,其中含砂砾及流砂层,建井需采用特殊凿井法施工。矿坑充水主要为大气降水及第四系砂层水的渗入,水文地质条件比较简单,但太原组灰岩喀斯特水比较复杂,在地层倒转或有断层联通过,对二叠纪煤层开采有影响。

核聚变发电

核聚变发电是21世纪初的重要技术,主要是把聚变燃料加热到1亿度以上高温,让它产生核聚变,然后利用热能,但是科学家发现没有任何一种容器能承受1亿度的高温,于是科学家想到了磁容器技术,就是在微型氢弹周围放上强大的磁场,约束住高温物质,但是又一个问题难住了科学家,如果使用磁容器,将至少需要100万吨磁铁,很不实际,于是科学家又想到磁场很强大的电磁铁,但是使用电磁铁也至少需要1万吨重,这可难住了科学家们,经过40多年的努力,科学家发现超导体拥有特别强大的磁场,效率是磁铁的几万倍,于是21世纪初核聚变发电站正式建成了。

核能发电的优点