石油勞工

[勞工藝文]將可取代石油,從中開採出燃料和可燃油氣的「油頁岩」/陳義文勞工藝文

將可取代石油,從中開採出燃料和可燃油氣的「油頁岩」/陳義文

 

 

 

油頁岩的岩質結構與組成         油頁岩(oil shale)為泥質,粒度小,既富含有機物又蘊涵有油料於內的頁片狀或板狀沉積岩層,與煤炭、石油及天然氣同樣皆屬於地下礦藏燃料,亦是不可再生的「一次能源」。雖然名稱為「油頁岩」,但是在地質分類上並非全然等同於未含油質的一般「頁岩」。不含油質的頁岩是一種具薄片狀層理的細粒黏性泥土質岩石,此係由於片狀黏土礦物平行排列而造成,質軟性脆且易裂,色澤是因所含雜質而異,有黑、綠、青灰、淺黃及淺灰…等各種顏色,但是經過風化後的頁岩顏色則為褐灰色,主要粒度小於1/256 毫米,土質含有各種礦物,亦常摻雜著顆粒較大的石英粉砂粒,惟若顆粒中粉砂粒的含量多於黏土粒,則會形成粉砂岩。因為顆粒質輕而不易沈降,故反倒常會在海中甚至遠洋海底發生沈積,靜水湖泊或沼澤中亦得形成頁岩。台灣西部山麓帶及花東海岸山脈便常見有「頁岩」露出,並常與砂岩形成厚薄不一的「互層」(Inter-bedded Layer)。         而含有油質的油頁岩,乃是地底燃料在形成的過程中,為泥質的頁片岩層所吸收住,必須藉由煉製技術方能予提煉出燃料,而由油頁岩提煉出來的燃料則是稱為「頁岩油」(shale oil)。經地質和礦業專家的研判,油頁岩主要是由藻類等低等浮游生物經過腐化和煤化作用而生成。其水分含量係與礦物質顆粒間之微孔結構有關,含量為4~25%,若水分含量較高則會於熱加工之過程中,消耗較多的熱量以致在乾燥時容易崩碎;至於油頁岩所含的其他礦物,主要有石英、粘土、雲母、高嶺土、硫鐵礦以及碳酸鹽…等材質。早期,即有人直接燃燒油頁岩作為燃料或用以取暖,但所產生的廢燼物則不易處理,油頁岩另亦可被用於建築工程和製成化學原料等用途。         油頁岩內含屬「油母」成分中的碳、氫有機化合物,尚含有少量氧、氮和硫之化和物,並組成為固態混合物,是以脂肪烴(aliphatichydrocarbons,具有脂肪族化合物基本屬性的碳氫化合物,即稱「脂肪烴」)結構為主,而較少「芳烴」結構。透過裂解化學變化,可以提煉液態烴類,再經由加工產製出汽油、煤油、柴油等液體燃料,加工產出之油料成本則遠比煉製石油為高,對環境之衝擊亦較大。據能源和地質業界的估計,舉世所有的油頁岩沈積層,共儲存有2.8兆至3.3兆桶(barrel , 每桶約119.7公升)的頁岩油,相當於4.5×1011 至5.2×1011立方公尺之可採集油量。         在大自然界中,另有一種富含高量燃料於內的細粒狀砂質礦產,稱為「油砂」(tar sand或oil sand),亦可被提煉出燃料。設若富含油頁岩或油砂的當地岩層、地質成分,係屬不會吸附燃料的岩層結構,則這些寶貴的液狀燃料當可匯聚於岩層中,而可更容易有效的被開採;今既已是散藏於泥質頁岩內,則不若開採呈黏稠液狀之石油那般的易於行事,而將付出較高的提煉成本乃可達到煉出燃料之目的。外觀多呈泥岩狀的油頁岩,密度為1.4~2.7,岩中的礦物質常與有機質細密均勻的混合,並因含有大量粘質礦物,故會形成明顯的片狀結構。         20世紀時,國際間曾有兩度對於開採頁岩油極為熱切的階段。首度階段為二次世界大戰期間,由於石油需求用量陡增,不少工業發達的歐洲國家和美國,遂萌生以油頁岩開發出燃料的熱潮,但是在戰爭結束後卻幾乎是嘎然而止;其二則是同世紀70年代,由於以阿戰爭掀起之石油禁運和能源危機,曾激起若干國家傾力以尋求新的替代能源,油頁岩的開發與利用爰再次受到重視,惟同樣又復因戰爭停息,能源危機解除而漸止。雖然,部分替代能源皆曾經因為國際原油售價的急遽波動,而暫時備受青睞,事過境遷後卻又面臨淡然的處境,惟就整個能源應用的大環境觀之,石化能源終有告罄之日,今日暫屬替代能源的頁岩油、頁岩氣,有朝一日必將居於主流,屆時身價必然遽然上揚,而擁有油頁岩礦產最豐的美國,更將在國力競爭上擁有愈為強勁的態勢。油頁岩在世界各地的分布情形與蘊藏的油量         由於過去期間,就全球大部分的油頁岩分佈區域,並未進行過詳盡的地質勘探,因此尚難以對全球的油頁岩蘊藏油量作出準確的估量,只有美國等少數國家曾其境內的油頁岩礦床進行過較明確的勘探和蘊藏量之衡量。舉世油頁岩蘊藏量最多的數個大國為美國、巴西、俄羅斯和中國大陸,基本上是面積廣大的國家乃有豐盛的油頁岩礦藏,美國西部遼闊的格林河(Green River)流域,便擁有世界上儲量最大的油頁岩礦藏。依據業界對美國境內之油頁岩油量所作的蒐集調查,其油頁岩資源儲量(指岩塊、岩片而言)為33,400億噸,將可經由各種提煉過程從其中煉製出3,030億噸的汽油、柴油或其他燃料用油,即便是保守的估計亦可佔全球近約4750億噸儲量之64%;俄羅斯方面可提煉出的油頁岩油量,則將近有1,120億噸,為數亦頗可觀。         當然這些數字常會因地質探勘上的新發現而頻有持續「增量」的變化,像是中國大陸過去的大片油頁岩岩層,是在東北的吉林、遼寧以及西北的新疆,後來另在1990年代於廣東發現到大量油頁岩。之後,巴西亦經由地質上的新勘,而宣告擁有大量油頁岩岩礦,使其儲量排名倏然上升,居乎全球三位。但是在煉取燃料時,油頁岩於煉油時高逾40%的灰渣比例,卻是提煉過程中必須妥慎處理的事項,所幸現今已因科技先進國家開發出將灰渣轉製為水泥或磚塊之技術,乃得化解原被視為棘手之事,反而得以增加副產品。         幾乎與人類於19世紀紛紛鑿設近代型式油井的年代相當,當時的礦產界亦已知道油頁岩同樣蓄含有油料,而最早開啟頁岩油工業者則是起自1838年的法國。但因所能獲取的利潤不高,以及猶尚缺乏開採油頁岩的技術,故百餘年來礦業界並不熱衷於開採油頁岩。         惟近十餘年來,鑒於石化能源容有可能在百年之內即遭到人為採罄而至耗竭,乃繼開發生質能源、利用可再生能源之後,業界亦另應用新技術以開採油頁岩,故油頁岩得被視為是21世紀的重要接替能源。根據已屬確切可靠的資料顯示,全球現所蘊藏的油頁岩且可提煉出的油料,已較諸不斷被開採的石油數量為多,蓋根據國際能源總署(International Energy Agency , IEA)在2002年所從事的調查及發布於《世界能源展望》(World Energy Outlook)統計年鑒之資料顯示,斯時全世界產油率在4%以上的油頁岩所儲有之頁岩油,總量約為4,750億噸,已經顯比總量僅餘2,710億噸的石油資源為多。如果石油價格又因開採量已趨短絀而逐漸高漲,相對的油頁岩所煉出之燃料油,卻可能因為煉製技術之進步而降低油價,因此油頁岩之重要性必將與日俱增。油頁岩還常與煤礦形成「伴生礦藏」,而可同時被開採出來。對此一新能源領域的試探和相對獲致的成果,乃是以美國最為熱衷,亦有最大的嶄獲。         油頁岩的開採技術起自19世紀中葉的開採油頁岩,因為該時尚無周詳的環保概念,故初際係可區分為露天採掘和井下採掘兩種直接開採方式。露天採掘法適用於淺層埋藏的礦床,簡便易行,成本亦低;井下開採法又計分為豎井採掘、水平坑道採掘兩種方式,適用於深層埋藏的礦床,其道理類如挖掘煤礦,因為對生態、水質會造成嚴重破壞,又無法回復原狀,所以今已被揚棄不用。20世紀後期起,荷資的殼牌石油公司發展出一種「地下轉化工法」(ICP),尤有利於開發地底深處的油頁岩。         ICP工法的原理,乃是先對於地底的油頁岩礦層從事加熱裂解,使其轉化為可流動且得被抽取出的液、氣狀態,雖然斯項技術迄今猶未全面商業化,惟將可成為日後的主流開採技術之一。殼牌公司並於2005年曾假在美國科羅拉多州和加拿大阿爾伯特省示範操作,斯時以此法開採煉製油料的生產成本為1 2 美元/ 桶 ,較諸挖採岩礦再予乾餾(carbonization,英文字意為碳化)、生產成本約為 20美元/桶 之傳統技法降低甚多。衡諸現今國際油價動輒處於每桶逾80美元的價位,即使於煉製岩油頁後再加計運輸、管理方面的費用,該種ICP技術亦得具有十分可觀的獲利度。         惟亦不乏有專家認為,全球油頁岩可供開採的資源總量,其實未如樂觀預估的數量那般的多。乃因為受到限制之因素頗多,如部分礦床位於過深的地底,即便利用前述的ICP工法亦無法施行經濟性開採,除非現今由美國所研究發、更為進步的「水力壓裂法」(hydrofracturing method)能夠派上用場,否則實在難以寄予厚望。而且,土地的合理利用,亦會大量影響若干油頁岩礦床的開發,特別是在油頁岩礦藏豐富,不過卻已有大批人口聚居的地方,又何能遷移民眾以順利開發礦區。         美國國會繼2005年通過發展「非常規能源」(Unconventional energy)之法案,而帶動油頁岩乾餾煉油的研發技術後,布希總統繼之又於其任期行將屆滿的前半年左右,即2008年6月發表鼓勵發展油頁岩之聲明,冀望國會解除原所對於頁岩油試驗用地之限制,美國內政部(United States Department of theInterior,DOI)旋亦批准由石油公司提出申請的六項土地礦產租賃項目,支持以油頁岩進行乾餾煉油。設址於科羅拉多州的礦業學院,在2006~2008年連續召開第26~28屆的國際油頁岩會議。近數年間,美國境內計有29家跨國企業正積極推行將油頁岩加工利用的研究,其中14家從事地下乾餾,11家從事地上乾餾的研發,2家公司則從事於頁岩油中注入氫氣以製造輕質油料的研究,另有幾家企業像是殼牌公司則是繼原已使用的ICP工法後,另再致力於乾餾新技術的研發。         從油頁岩提煉燃料油、頁岩氣和副產品的技術油頁岩因為含有原油成分,故大都呈黑褐色,依學者之分析乃是遠古時代的有機物沈積於地底,並歷經漫長時期逐漸形成石油、焦油和瀝青等,不僅得以提煉出油質,尚可煉製出合成煤氣及其他種類的化學原料。以油頁岩從事煉油,過去常是採取「採掘煉製法」及「油層中提煉法」。採掘煉製法即是通稱的乾餾法,是於採收油頁岩並予粉碎、篩選後,施以乾餾俾獲致粗頁岩油和可燃氣,乃是將集放於煉爐中的岩塊在隔離空氣的條件下加熱,使有機質分解成油氣,油氣再引進至一個冷卻裝置以冷卻凝結成油狀的液體,這就是頁岩油,粗頁岩油再經氫化精製成各種燃油,而乾餾後的氣體亦可供做為燃料。         油層中提煉法則是採用熱水、蒸氣或化學溶劑等高溫流體添注入油頁岩層中,將油質萃取於其中,再據以提煉出燃料,此法仍在持續發展改變中,而注入熱水若是被泵增至極高壓力,足可裂解岩層或岩塊,則為前述的「水力壓裂法」。2012年10月,日本的石油資源開發公司曾對外宣布,於東北部秋田縣境一處「 川油氣田」區地下約1,800公尺處的油頁岩中,初試而成功的開採到頁岩油,專家推判其所運用之技術,應是接近於水力壓裂法,今後若相關管理法令允許增高水壓,以致能更加順利推進,將可持續的擴大開採區。煉油專家們並已研擬出一種源自殼牌公司所創ICP工法,而加以改良、變更加熱方式的新式技術,係在地表鑽孔深達地底,並將具有孔狀的鋼管插入至油頁岩中,之後再對油頁岩發射高頻率電磁波,經由高頻電磁波產生的熱量,以將油頁岩中的有機質分解成頁岩油和氣體,並汲取出所欲的頁岩油和氣體。         初煉而成的的頁岩油內含多量的硫、氮,假如直接以之做為燃料以燃燒,容易污染空氣,故必須經由脫除硫、氮程序方得精製出各種燃油或液化石油氣。在實務上,通常是以含油率大於3.5%者甫具有開發的價值(油頁岩的含油率低於6%者屬「貧礦」,高於10%者得屬於「富礦」),每噸的油頁岩視其所含的油質成分,往往得以提煉出35~370公升的頁岩油,相當於0.3至3.1桶。另則由於油頁岩原料,在採掘煉製法的機械化開採過程中屢有嚴重破碎的情形,因此實際可用於煉油的大顆粒油頁岩,僅約佔開採頁岩總量的30%左右,餘之70%、附加價值低的中小顆粒油頁岩,只能充作低熱值燃料以對外銷售。為提高資源利用效率,曾有業者嘗試開發出8-40mm粒徑的中顆粒油頁岩煉製爐具,並儘求減少煉油過程中油氣揮發散逸掉之情形;另亦研發出將油頁岩資源利用率,從原之30%提高至約60%的提煉法,創造的成果極為可觀。         對照於頁岩油,「頁岩氣」乃是指從油頁岩層開採得到的一種天然氣,油頁岩礦豐足的美國,在近十年之內已應用創新的技術大量獲取天然氣,現今美國境內所開採的天然氣,便有1/4是屬為頁岩氣。迄2025年時此一比例更將提高至50%,屆時天然氣不但將是美國境內僅次於石油的第二大資源,同時全美的天然氣產量亦有可能超越俄羅斯,而成為全球最大的天然氣生產國。就目前能源之價格與消耗狀況而言,正因為有取自油頁岩的頁岩氣,乃得使石化能源可以維持於當前已經居高不下之價位,否則恐將會再攀高;不過相繼開採出的能源,卻也促成了美國民眾未知珍惜的繼續消耗大量能源,平均每名美國人消耗的能源用量,依然遠高於他國家的國民而未思節制。         在煉製油頁岩過程中,還可獲得有諸多的硫酸銨、酚類…等副產品--硫酸銨得作為肥料之原料;酚類和 啶,可做為生產合成纖維、塑料、染料和數種藥劑的化工原料;煉製階段排出的氣體,得收集成氣態燃料。最後殘留的頁岩灰渣,則可用以製成水泥、磚塊或陶土(陶粒)等用料,例如在德國,每年即有將近30萬噸被煉製過的油頁岩灰渣,再轉用於生產水泥及各項建築材料;而在中國大陸,更將大量的煉製油頁岩所得副產品,用以製造磷肥,改良鄰近農田的土質,好似「化作春泥更護花」一般的將煉後餘物回返大地。         各個國家對於油頁岩的使用,固然皆是用作能源類之資源,但是在若干國家則有不同的主要用途。在巴西,係將煉自油頁岩之燃料用作車輛油料;在德國,過去主要是將油頁岩用以煉成水泥,製造建材之目的尚大於用以提煉出燃料;而瀕臨波羅底海的愛沙尼亞,則逕將油頁岩用作為鍋爐燃料俾可產生蒸汽,推動汽輪機以發電,兼可用於工廠做為燃料。然而,直接將油頁岩做為燃料以發電,卻容易導致爐壁結焦或受熱面遭致腐蝕,鍋爐實際生熱減低,還頻遭強制停機以待停爐檢修之害;之外,將片狀、塊狀的油頁岩磨製成粉狀燃料的系統,亦須耗用龐大電力,以致遠遜於燃煤、燃油之發電設施;再者,該套直接燃燒系統尚會排放甚多的二氧化硫(SO2)和氮氧化合物(NOX),有污染生態環境的危虞,必須謀求改進,否則未可長用。         針對上述缺失,電力生產業界發展出得予改善的「循環流化床燃燒發電技術」(circulating fluidized bed combustor , CFBC),乃是由以色列於1989年應用芬蘭“Ahlstrom"公司所製成、容量為 50噸/小時 的火力發電設施,率先建成首座半商業化的CFBC示範電站,得有效提高油頁岩的利用率和鍋爐熱效率,大幅降低污染氣體的排放。之後,以色列更採用 230噸/小時 的循環流化床鍋爐,建置一座以油頁岩為燃料的商業化電廠,而中國大陸則於1996年擇吉林省「樺甸油頁岩示範熱電廠」,設置三座容量各為 65噸/小時 之低倍率循環床油頁岩電站鍋爐,並經證實可以長期穩定運行,為油頁岩能源利用度帶來創新的宏途。結 語         油頁岩是富含有機物質且趨近於泥煤燃料 類的沈積性岩層,其礦物的組成年代、油質類型及沈積史各有不同之狀況。而「油頁岩工業」則是指採掘岩礦和經由化工技術以處理油頁岩,煉取出液狀油料之工業,不過卻亦是一種高耗能兼高污染的產業。只是由於受到傳統石化油料價格上漲以及原油趨於減少的影響,故油頁岩於近年來在能源產業領域上,遂日漸受到重視。不過,若無進步的技術作為後盾,將使油頁岩資源難以被充分利用;更需注重的是,開採油頁岩會導致地表沈降、地下水污染,而煉製頁岩油則會產生廢氣、廢水和大量廢渣。所以,各地區生態環境上的評量,係是否適合開發展油頁岩以煉油的關鍵因素之一。         處於高油價時代,油頁岩資源自然隨之而有水漲船高之趨勢,各國對油頁岩的開發利用則必然受到相當程度的激勵,蓋既可彌應民生領域上需有充裕能源的訴求,亦有助於國家振興產業發展的政策,可創造長遠的經濟效益。而新科技的推出應用,則是順利開發油頁岩的前提,避免於開發過程中造成空氣污染、破壞生態結構,同時得以提高能源資源的利用效率,以之造福群黎又不損及自然環境,乃是經由科技促進合理開發能源的上善之策。

 

 

 
 

[勞工藝文]將可取代石油,從中開採出燃料和可燃油氣的「油頁岩」/陳義文