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第3章 古老先民的恩赐——煤和石油(2)

(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35530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。

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”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”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世纪30年代,实用的燃气轮机终于出现了。

1928年,英国科学家惠特尔提出,用燃气涡轮机的喷气去推动飞机,并且构思出涡轮喷气式发动机的想法。

1941年5月14日,喷气式发动机在英国试验成功。

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”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”。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”“东方红”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。

现代工业对石油的依赖

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”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。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”。

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”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”。

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”时期。

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