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16.2：采矿、加工和发电

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    化石燃料在使用前必须先开采或开采，具体方法取决于化石燃料的类型。 煤炭和天然气，主要用于发电，而石油则经过提炼以生产车辆、飞机和供暖以及其他产品的燃料。

    煤炭

    采矿

    煤炭是通过两种主要方法开采的，其中有许多变体：露天采矿或地下采矿。 露天@@ 采矿使用大型机器去除被称为覆盖层的土壤和岩石层，以露出靠近地球表面的煤层（图\(\PageIndex{a}\)）。 露天采矿是一种露天采矿，其中按顺序清除每段（地带）土地上的覆盖层。 一旦将覆盖层从第一条带上移除，煤炭就会被清除。 然后，来自第二条带的覆盖层被沉积到第一条带中，然后从第二条带中去除煤炭。 然后，将第三条带的覆盖层放置在第一条带中，依此类推。 拆除山顶是一种破坏性更强的露天采矿方式，使用炸药清除所有覆盖层，同时露出整个煤层（图\(\PageIndex{b}\)）。 大量的覆盖层（山顶）被倾倒到附近的山谷中，然后将煤炭清除。

    一种大型的黄色机器煤，它以黑色火药的形式出现，里面有较大的黑色团块
    图\(\PageIndex{a}\)：怀俄明州的露天煤炭开采。 图片由土地管理局（公共领域）提供。
    以前的山脉轮廓的轮廓。 覆盖层已被倾倒到邻近的山谷中，露出煤层。山顶拆除场地贫瘠的平坦景观
    图\(\PageIndex{b}\)：左：拆除山顶使用炸药来松开山顶的覆盖层，然后将其转移到附近的山谷（山谷填埋处）。 然后开采底层煤层。 沉积物池收集从山谷填埋场侵蚀的土壤。 图片由 EPA（公共领域）提供。 右：山顶拆除地点。 图片来源：JW Randolph（公共领域）

    地@@ 下采矿（深层采矿）使用地下隧道进入更深的矿床（图\(\PageIndex{c}\)）。 一些地下矿深达数千英尺，延伸数英里。 矿工们乘坐电梯沿着矿井深处行驶，然后在长隧道中乘坐小型火车前往煤炭。 矿工们使用大型机器开采煤炭。 在漂流矿中，隧道是水平挖到山边的。 在斜坡矿山中，这条隧道是对角线的。 在竖井矿中，电梯用于通过垂直隧道运送煤炭。

    露出电梯井以及通往煤炭的水平和对角隧道的部分土地。 地表上有设施和成堆的开采煤炭。
    图\(\PageIndex{c}\)：地下采矿涉及挖掘隧道以进入地下深处的煤矿。 图片来源：国家能源教育发展项目/EIA（公共领域）

    煤炭加工

    一旦开采，煤炭可能会进入位于采矿场附近的选矿厂，在那里对其进行清洁和加工，以去除岩石和泥土、灰分、硫和其他不需要的物质等杂质。 这个过程增加了可以从单位煤炭中获得的能量，称为其加热值。

    煤炭运输

    最后，必须运输开采和加工过的煤炭。 运输可能比开采煤炭更昂贵。 在美国运送的煤炭中，将近70％是通过火车运输的，至少有一部分是通过火车运输的（图\(\PageIndex{e}\)）。 煤炭也可以通过驳船、轮船或卡车运输。 煤炭也可以被粉碎，与水混合，然后通过泥浆管道输送。 有时，燃煤发电厂建在煤矿附近，以降低运输成本。

    装满煤炭的火车车厢呈黑色块状
    图\(\PageIndex{e}\)：在澳大利亚维多利亚州莫威尔，一列装有由压缩煤尘制成的煤球的货运列车。 CSIRO (C C- B Y) 的图片和说明（修改）。

    用煤发电

    进入发电厂后，首先将煤粉碎成细粉，然后与热空气混合并吹入熔炉（图\(\PageIndex{f}\)）。 这样可以实现最彻底的燃烧（燃烧）和最大的热量释放。 通过锅炉内部管道泵送的纯净水被煤炭燃烧产生的热量转化为蒸汽。 蒸汽冲向一系列巨型涡轮叶片的高压使涡轮轴转动。 涡轮轴与发电机的轴相连，磁铁在电线圈内旋转以产生电力。 在涡轮机中工作后，蒸汽被吸入冷凝器中，冷凝器是发电厂地下室的一个大腔室。 在这一重要步骤中，来自附近水源（例如河流或湖泊）的数百万加仑冷水通过贯穿冷凝器的管网抽出。 管道中的冷水将蒸汽转化为水，可以在植物中反复使用。 除非温度高于最初从河流或湖泊中提取时的温度，否则冷却水会不受任何污染。

    山上一座棕色金属燃煤发电厂释放的烟雾直通燃煤发电厂的部分显示了煤炭在熔炉中燃烧，产生蒸汽，蒸汽转动涡轮机发电。
    图\(\PageIndex{f}\)：左：犹他州赫尔珀的燃煤发电厂。 右：典型的蒸汽循环燃煤电厂示意图（从左至右）。 煤进入锅炉（炉子），在那里燃烧。 这会将水煮沸，产生蒸汽。 蒸汽转动涡轮机，为发电机提供动力。 由此产生的电力通过变压器（变压器改变电压），然后通过输电线路发送。 蒸汽冷却并冷凝回冷凝器中的液态水。 这可以通过冷却附近河流中的水来起到促进作用。 右图由田纳西河谷管理局（公共领域）提供。

    该视频显示了如何使用热能发电。

     

    石油和天然气

    常规石油和天然气的开采

    传统的石油和天然气储存在陷阱（盖岩）之下。 由于天然气由较轻的分子组成，这些分子在中等温度下呈气态形式，因此它存在于石油之上，石油可能漂浮在地下水上。 为了获得传统的石油和天然气，首先要刺穿陷阱。 最初，他们承受的压力足够大，这使他们陷入困境（初级恢复）。 接下来，注入水（或天然气）以迫使更多的化石燃料流出（二次回收）。 最后，通过加热（注入蒸汽）或注入二氧化碳、其他气体或更大的分子，可以使用提高石油采收率（三次采收率）来进一步提取石油。 例如，二氧化碳会导致石油稀释和膨胀，使其更容易从岩石中清除。 请注意，二次开采只会增加储油层内部的压力，而三次开采会改变石油的特性，使其更容易开采（图\(\PageIndex{g}\)）。 开采的每个阶段都越来越昂贵，只要油井仍然有利可图，开采就会继续。

    注水井用于水处理和提高石油采收率。 石油通过一口生产井向上移动。
    图\(\PageIndex{g}\)：注入井将水、二氧化碳或其他物质输送到油藏，增加压力或改变石油特性，促进开采。 右边是生产井，开采的石油通过该井流动。 这可以通过注射井来促进恢复。 左边是一口注射井，用于处置，废水（产生的水）储存在地下。 几个封闭的地层将物质困在地下。 靠近顶部的是地下饮用水源的底部，这意味着所有饮用水都是从此点上方提取的。 图片由政府问责办公室（公共领域）提供。

    石油主要通过在陆地（陆上）或海洋（近海）钻探获得。 早期的海上钻探通常仅限于水深小于 300 英尺的地区。 石油和天然气钻机现在可以在深达两英里的水中作业。 浮动平台用于在更深的水域进行钻探（图\(\PageIndex{h}\)）。 这些自推式船只使用大型电缆和锚固定在海底。 井是从这些平台上钻出来的，这些平台也用于将生产设备降低到海底。 一些钻井平台站在嵌入海底的高跷状支腿上。 这些平台可容纳所有必需的钻探设备以及工作人员的住房和存储区域。 海上生产比陆上生产昂贵得多。

    四根红柱支撑着一个从海中冒出的平台，支持海上钻探
    图\(\PageIndex{h}\)：海上石油钻探平台。 图片由 Pixabay/KeridJackson（Pixabay 许可证）提供。

    开采非常规石油和天然气

    页岩中捕获的致密油和天然气以及致密砂中的天然气是通过水力压裂法开采的，非正式地称为 “水力压裂”。 该过程使用炸药在这些低渗透率岩石中产生新的裂缝，并增加现有裂缝的大小、范围和连通性，然后施加高压流体。 首先，钻机渗透岩层，然后水平行进。 然后，炸药会破坏岩石，释放石油和天然气。 最后是水、沙子和化学药品，然后注入，冲走石油和天然气（图\(\PageIndex{i}\)）。

    地球部分显示了水力压裂、地震活动以及浅层和深层含水层中的地下水之间的关系。水力压裂过程中的五个步骤的地球部分
    图\(\PageIndex{i}\)：两张水力压裂图。 水与沙子和化学物质混合，然后注入页岩中，捕获致密油和天然气或致密沙子。 这会将化石燃料从以前由炸药产生的裂缝中冲走。 上图：本部分显示了四个地下层。 从上到下，它们是浅含水层、aquiclude（不透水层）、深层含水层和另一个 aquiclude。 水力压裂液通过一口被套管包围的井注入地下，进入含气地层。 甲烷（红色箭头）可能会从该地层的水力裂缝中逸出。 此外，当裂缝与先前存在的断层相交时，可能会发生诱发的地震（地震）。 在地上，水力压裂液储存在污水池中。 蓝色箭头和问号表示有毒废水可能逸出并污染地下水的地方，例如来自储藏容器、废水池、外壳或断层的地方。 底部：需要对废水进行适当的处理和处置以限制对环境的影响。1：获得水。2：混合化学物质。3：将水力压裂液注入井中。 在这里，天然气从裂缝流入井中。4：水力压裂法导致回流和产水（废水）。5：废水经过处理和处置。 底部图片由美国地质调查局提供（公共领域）。

    如前所述，焦油砂中的沥青可以通过注入蒸汽提取，也可以开采后期加工。 焦油砂可以通过露天采矿或露天采矿开采，露天采矿是一种露天采矿，涉及逐渐形成更深的洞。 矿坑的墙壁尽可能陡峭，可以安全地管理。 陡峭的墙壁意味着需要清除的废物覆盖层更少，是高效采矿和大规模浪费之间的工程平衡。 油页岩是通过露天开采、创建地下矿山或露天采矿来开采的。 油页岩可以像煤一样直接燃烧，也可以在有氢气的情况下烘烤以提取液态石油（图\(\PageIndex{j}\)）。

    地下的黄色设备收集油页岩。 背景中的岩石层是分层的。
    图\(\PageIndex{j}\)：爱沙尼亚油页岩的地下开采。

    精炼原油

    石油开采的结果是原油（石油），其中含有多种碳氢化合物以及一些有害物质，例如硫、氮、氧、溶解金属和水，所有这些物质都混合在一起。 因此，未加工的原油在工业应用中通常没有用处，必须首先在炼油厂分离成不同的可用产品（石化产品）。 汽油（汽油）、柴油、焦油和沥青就是石化产品的例子。

    分馏蒸馏是炼油厂用来分离原油成分的关键工艺。 在分馏蒸馏过程中，原油被加热，然后冷却。 最重的化合物作为残留物沉入海底。 汽化原油成分在蒸馏塔中凝结的水平不同，具体取决于其沸点，这主要是由于它们的分子大小造成的。 最重的化合物（凝结在色谱柱底部附近，那里的温度仍然很高。 较轻的化合物在较低的温度下凝结在色谱柱中更高。 一些化合物以气体形式保留在色谱柱顶部（图\(\PageIndex{k}\)）。

    蒸馏塔显示了按沸点分离的石化产品
    图\(\PageIndex{k}\)：分馏蒸馏过程包括加热原油并让成分冷却。 当它们向上移动蒸馏塔时，它们会根据沸点在不同的水平上凝结。 最重的化合物的沸点最高，凝结在色谱柱的底部，而较轻的化合物（低沸点）凝结在顶部。 从最低沸点到最高沸点生产的石化产品包括残留燃料油（1050 °F）、重气油（650-1050 °F）、柴油和取暖油（450-650 °F）、煤油和喷气燃料（350-450 °F）、石脑油（用于制造汽油、溶剂、清洁液等；185-350 °F）、汽油混合成分（85-185 °F），以及丁烷和轻质产品（< 85 °F）。 图片由美国能源信息管理局提供（公共领域）。

    下面的视频解释了分数蒸馏的过程。 3:00 的带标签的蒸馏塔显示加热过的原油（400 °C）分离成各种石化产品。 从下到上，它们是沥青（> 350 °C）、柴油（250-350 °C）、煤油（160-250 °C）、石脑油（70-160 °C）、汽油（20-70 °C）和天然气（< 20 °C）。

    转化是一种化学处理，其中一些馏分（由分馏蒸馏产生）转化为其他产物。 例如，炼油厂可以根据对汽油的需求将柴油转化为汽油。 转化可能包括将较大的碳氢化合物链分解为较小的碳氢化合物链（开裂），将较小的链合并为较大的链（统一），或者重新排列分子以产生所需的产物（改变）。

    对馏分进行@@ 处理以去除硫、氮和水等杂质。 炼油厂还将各种馏分（加工和未加工）混合成混合物，以生产所需的产品。 例如，碳氢化合物链的不同混合物可以产生具有不同辛烷值的汽油，无论有没有添加剂、不同重量和等级的润滑油（WD-40、10W-40、5W-30 等）、取暖油等。 产品存放在现场，直到可以运送到各个市场，例如加油站、机场和化工厂。

    由于炼油厂加工的增加，每桶42加仑的原油可产生约45加仑的石油产品（图\(\PageIndex{l}\)）。 这种体积的增加与爆米花弹出时发生的情况类似。 汽油在获得的所有石油产品中占最大比例。 其他产品包括柴油和取暖油、喷气燃料、石化原料（用于制造塑料、合成橡胶或其他化学品）、蜡、润滑油和沥青。

    填充一桶油的彩色条带按比例缩放，以表示用它制成的每种产品的加仑。
    图\(\PageIndex{l}\)：2019年由一桶原油制成的主要产品（以加仑为单位）。 其中包括残余燃油（0.9 加仑）、碳氢化合物气体（1.5）、其他产品（6.0）、喷气燃料（4.4）、馏出物（12.5）和汽油（19.4）。 注意：由于炼油厂的加工收益，每桶42加仑（美国）的原油可产生约45加仑的石油产品。 由于独立四舍五入，图片中商品金额的总和可能不等于 45。 图片由 EIA（公共领域）提供。

    运输石油和天然气

    炼油厂之后，产生的汽油和其他燃料已准备就绪，可以分配使用。 管道系统贯穿美国各地，将石油和燃料从一个地点输送到另一个地方。 有一些管道将原油从油井输送到炼油厂。 在炼油厂，还有其他管道将成品运送到各个存储终端，然后可以将其装载到卡车上运输，例如运往加油站。

    一旦从地下岩层中生产出天然气，就会通过管道将其输送到储存设施，然后输送给最终用户。 美国拥有庞大的管道网络，可以将天然气输送到下48个州的几乎任何地方。 有超过210个天然气管道系统，使用超过300,000英里的州际和州内输送管道（图\(\PageIndex{m}\)）。 压缩机站保持对天然气的压力，使其在系统中流动。 有 400 多个地下天然气储存设施可以储存天然气，直到需要将其送回系统中进行输送。

    土壤被移位，组装了一根厚的淡蓝色管道（达科他通道管道）。
    图\(\PageIndex{m}\)：建设备受争议的达科他通道管道，该管道从北达科他州一直延伸到伊利诺伊州。 图中的管道部分位于爱荷华州中部。 您可以在此处了解有关2016年针对该管道的抗议活动的更多信息。 图片由 Dakota Access 管道（CC-BY）提供。

    利用石油或天然气发电

    燃烧天然气发电，采用与燃煤发电厂相同的一般工艺（图\(\PageIndex{n}\)）。 石油偶尔也被用来发电。

    燃烧室和涡轮机。 石油和天然气管道为燃烧室供电。
    图\(\PageIndex{n}\)：该燃烧室燃烧天然气或石油。 燃料流经天然气管线或从储油室流入燃烧室。 空气通过进气口并在压缩机中被压缩。 天然气和压缩空气与燃烧室中的压缩空气混合并燃烧。 高压燃烧气体使涡轮机旋转，涡轮机驱动发电机。 然后，由此产生的电流通过变压器，变压器改变电压。 田纳西河谷管理局（公共领域）的图片和标题（修改）。

    归因

    由 Melissa Ha 从以下来源修改：