01 概述

全球經(jīng)濟(jì)嚴(yán)重依賴于能源，能源供應(yīng)我們的食物生產(chǎn)、建造我們的家園并驅(qū)動(dòng)我們的交通工具。沒(méi)有能源，我們所熟悉的許多事物將會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著中國(guó)和印度等國(guó)家經(jīng)歷快速經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，能源需求以及化石燃料的成本持續(xù)上升。為了滿足這一增長(zhǎng)的需求，開發(fā)替代能源來(lái)源變得越來(lái)越重要。

研究與開發(fā)對(duì)于此過(guò)程至關(guān)重要，需要最高等級(jí)的設(shè)備來(lái)獲得準(zhǔn)確可靠的結(jié)果。Teledyne ISCO 注塞泵是開發(fā)替代燃料的絕佳工具，從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到試驗(yàn)工廠都能派上用場(chǎng)。

能源來(lái)源或用于燃料和化學(xué)品的原材料可以分為兩類：傳統(tǒng)的和非傳統(tǒng)的。傳統(tǒng)能源來(lái)源是通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)獲得的，例如石油（原油）、煤炭和天然氣，而非傳統(tǒng)來(lái)源則需要更新和/或更復(fù)雜的技術(shù)，通常需要更大的投資。非傳統(tǒng)能源過(guò)去在成本上不具備競(jìng)爭(zhēng)力，但隨著能源價(jià)格的上漲，現(xiàn)在可能成為一種可行的替代品。

非傳統(tǒng)能源來(lái)源包括：

• 頁(yè)巖油（美國(guó)）

• 油砂/重油（委內(nèi)瑞拉-加拿大）

• 生物質(zhì)（任何植物或動(dòng)物材料）

• 甲烷水合物

替代性或非傳統(tǒng)燃料可以從任何傳統(tǒng)來(lái)源中提取，例如煤炭，而不是石油。然而，這一術(shù)語(yǔ)通常更多地用于指代來(lái)自可再生能源的可再生燃料，如生物質(zhì)。

可再生燃料包括：

• 乙醇

• 生物柴油

• 非化石甲烷

• 氫氣

02 石油（原油）

自 1858 年在加拿大安大略省的石油泉首次鉆探油井以來(lái)，石油的使用已大大擴(kuò)展。如今，90% 的車輛使用的燃料都源自石油，全球的需求預(yù)計(jì)還將上升，這將給石油生產(chǎn)帶來(lái)更大的壓力。油井的生產(chǎn)壽命在達(dá)到某個(gè)高點(diǎn)后會(huì)開始下降。在這一點(diǎn)上，可以采用如增強(qiáng)型石油回收（EOR）等技術(shù)來(lái)維持石油生產(chǎn)水平。評(píng)估可能的技術(shù)需要復(fù)制油藏條件（如溫度和壓力）進(jìn)行測(cè)試。這種稱為巖心驅(qū)替的測(cè)試，能確定巖石對(duì)各種流體的滲透性，并需要使用高性能注射泵等精密設(shè)備。

我們每天使用的物品都來(lái)自常規(guī)和非常規(guī)石油。世界對(duì)原油的依賴遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出汽油和其他燃料等更明顯的需求。來(lái)自石油的其他產(chǎn)品包括許多藥物和軟膏、塑料、化妝品和洗滌劑。橡膠制品、防腐劑、密封劑和鋪路材料也來(lái)自石油。世界的石油供應(yīng)以及我們獲取石油的能力，對(duì)這些以及其他許多日常產(chǎn)品的成本和可用性產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
 

03 油頁(yè)巖

油頁(yè)巖含有干酪根，一種沉積巖中發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜有機(jī)化合物混合物，從中可以提取液態(tài)烴。干酪根不是原油，但可以被加工成原油替代品，或稱為合成原油（syncrude），然后進(jìn)一步加工成常用的石油產(chǎn)品。這一過(guò)程本身需要能源投入，這影響了其與原油的成本競(jìng)爭(zhēng)力。

油頁(yè)巖礦床遍布全球，但世界上已知儲(chǔ)量的 64% 集中在美國(guó)。隨著世界能源價(jià)格上漲，油頁(yè)巖將受到更多關(guān)注。
 

04 細(xì)砂

油砂主要位于加拿大和委內(nèi)瑞拉，由類似糖漿的石油（瀝青）組成，其開采和加工難度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)石油。因此，需要采用非常規(guī)技術(shù)進(jìn)行提取，如露天開采和原位開采。最常見(jiàn)的原位過(guò)程涉及用蒸汽加熱瀝青，降低粘度，使其能以更傳統(tǒng)的方式被泵送出來(lái)。

提取后，必須將瀝青升級(jí)為較輕的合成原油，以便通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)管道運(yùn)輸并進(jìn)一步精煉。

由于技術(shù)上更具挑戰(zhàn)性、能源密集度更高，因此成本也更高，使得油砂成為一種非常規(guī)石油來(lái)源。

煤炭滿足了全球 25% 的能源需求，尤其是電力生成方面。不幸的是，它也是最大的二氧化碳排放源。按照目前的消耗率，世界的煤炭?jī)?chǔ)量可以持續(xù)超過(guò)預(yù)計(jì)的 150 年。世界上超過(guò) 50% 的煤炭?jī)?chǔ)量位于美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)和印度。擁有超過(guò) 25% 的可開采煤炭，美國(guó)擁有世界上最大的煤炭?jī)?chǔ)備。除了作為主要的熱能和發(fā)電能源外，煤炭還有許多其他潛在用途。例如，煤炭是替代原油產(chǎn)品如化學(xué)品、汽油和柴油燃料的一種可行原料。

將煤炭轉(zhuǎn)化為其他產(chǎn)品使用的最常見(jiàn)過(guò)程是煤制液體（CTL）和氣化（合成氣）。CTL 創(chuàng)造了一種合成原油，可以通過(guò)傳統(tǒng)方式進(jìn)一步加工。合成氣，也稱為水煤氣，可以直接替代天然氣，或通過(guò)費(fèi)托合成過(guò)程進(jìn)一步加工成其他燃料、化學(xué)品或塑料。

盡管煤炭目前是二氧化碳排放的主要來(lái)源，但目前正在進(jìn)行研究，通過(guò)從發(fā)電廠或轉(zhuǎn)化過(guò)程中捕獲二氧化碳，并將其封存在地質(zhì)構(gòu)造中來(lái)減少這些排放。由于在轉(zhuǎn)化過(guò)程中二氧化碳始終被包含，因此移除相對(duì)容易，從而成本效率高。全球范圍內(nèi)，采用減排/封存技術(shù)的公司可以通過(guò)稅收節(jié)省和/或減排積分來(lái)抵消其成本。然后，二氧化碳可以被封存或用作提高石油或天然氣采收率的技術(shù)，這具有雙重好處，即提高采收率和進(jìn)一步減少二氧化碳排放。

煤制液體

煤制液體（CTL）可以是一種直接技術(shù)，使用溶劑在熱量和壓力下溶解粉狀煤炭，從而創(chuàng)造出一種合成原油，這種原油可以進(jìn)一步加工成燃料和化學(xué)品。合成原油具有使用現(xiàn)有煉油廠和分配系統(tǒng)的潛力優(yōu)勢(shì)。

06 天然氣

天然氣主要由 70-90% 的甲烷組成，用于發(fā)電廠、家庭供暖、運(yùn)輸和塑料制造。天然氣通常位于油田中，提供了部分石油位移壓力。

非常規(guī)天然氣

典型情況下，非常規(guī)天然氣包括那些不使用先進(jìn)技術(shù)難以開采的沉積物。非常規(guī)天然氣包括：

• 深層氣（深度在15,000英尺或以下的沉積物）

• 致密氣（被限制在不透水的地質(zhì)構(gòu)造中，如非多孔巖石）

• 含氣頁(yè)巖

• 煤層甲烷

• 甲烷水合物

煤層

煤層通常包含被困的天然氣，這些氣體曾經(jīng)通過(guò)焚燒處理，但現(xiàn)在有許多用途。

甲烷水合物

甲烷水合物由被困在冰凍水晶體中的甲烷（天然氣）組成。它們存在于海底沉積物中，以及加拿大和俄羅斯的永·久凍土區(qū)域。也被稱為“燃燒的冰”，如果能夠開發(fā)出恢復(fù)這種能源的方法，這個(gè)潛在的燃料來(lái)源可能為世界提供大量的能源。

07 合成氣

氣化是一種將含碳原料（如煤或生物質(zhì)）轉(zhuǎn)化為合成氣的過(guò)程，合成氣由一氧化碳和氫氣組成。合成氣，曾被稱為“水煤氣”，在 20 世紀(jì) 50 年代前的美國(guó)和 70 年代的英國(guó)常被用于烹飪和供暖。與天然氣相似，合成氣可以直接用作相對(duì)清潔的燃料，或通過(guò)費(fèi)托催化轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)一步加工成液體形式。

煤或生物質(zhì)的氣化是通過(guò)以下吸熱“水煤氣”反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的：

C + H₂O → H₂ + CO

合成氣的形成也可能是天然氣轉(zhuǎn)化為氫氣的中間步驟：

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

除了 CO 和 H₂，合成氣還可能含有二氧化碳和氮?dú)�，因此必須進(jìn)一步凈化才能用于生產(chǎn)化學(xué)品和燃料。一氧化碳和 H₂ 可以加工成甲醇和其他化學(xué)品。液態(tài)氣化的一個(gè)缺點(diǎn)是，凈化和轉(zhuǎn)化過(guò)程能源密集，因此涉及額外的成本，以轉(zhuǎn)化為燃料。

費(fèi)托合成過(guò)程

費(fèi)托合成過(guò)程涉及一氧化碳的氫還原反應(yīng)，通過(guò)催化化學(xué)反應(yīng)將氣化得到的合成氣轉(zhuǎn)化為各種液態(tài)烴：

(2n+1)H₂ + nCO → CnH(2n+2) + nH₂O

（其中n是正整數(shù)）

這些液態(tài)烴隨后可以進(jìn)一步加工成合成油或燃料。

生物質(zhì)氣化（BG）與費(fèi)托合成（FT）過(guò)程的結(jié)合因其在生產(chǎn)可再生生物燃料方面的巨大潛力而備受關(guān)注。

08 乙醇

乙醇，或稱谷物酒精，主要用作燃料或燃料添加劑。乙醇通過(guò)特定類型的酵母發(fā)酵生產(chǎn)，這些酵母將糖代謝為乙醇和二氧化碳，反應(yīng)如下：

C₆H₁₂O₆ → 2 CH₃CH₂OH + 2 CO₂

在巴西，大多數(shù)乙醇由甘蔗制成，而在美國(guó)，乙醇由玉米制成，玉米也是一種相對(duì)供應(yīng)不足的食品。目前，正在研究從木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇，木質(zhì)纖維素由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。這種類型的乙醇，稱為纖維素乙醇，可以由非食品來(lái)源生產(chǎn)，如柳枝稷和木屑。

09 甲醇

甲醇可以是各種化學(xué)和燃料產(chǎn)品的原料。它也可以直接用作燃料或作為汽油添加劑，類似于乙醇。目前，大多數(shù)甲醇是由化石燃料（如煤和天然氣）衍生的合成氣生產(chǎn)的。它也可以很容易地?cái)U(kuò)展到非常規(guī)來(lái)源，如油砂、油頁(yè)巖、煤層甲烷、致密氣、甲烷水合物和生物質(zhì)。

通過(guò)以下反應(yīng)，生物質(zhì)替代方案將使甲醇成為一種可再生資源：

生物質(zhì) → 合成氣（CO，H₂）→ CH₃OH

10 生物柴油

生物柴油是一種通過(guò)將植物油或動(dòng)物脂肪化學(xué)轉(zhuǎn)化為脂肪酸甲酯（酯交換）制成的生物燃料，可以單獨(dú)使用或與傳統(tǒng)柴油混合使用。

雖然生產(chǎn)生物柴油有幾種方法，但最常見(jiàn)的是涉及甲醇和氫氧化鈉的間歇過(guò)程：

生物柴油的廣泛使用導(dǎo)致了全球甘油過(guò)剩，甘油是植物油酯交換反應(yīng)的一種副產(chǎn)品。

甘油有許多常見(jiàn)用途，包括化妝品、藥品、食品和飲料、溶劑、肥皂、潤(rùn)滑劑和紡織品。然而，正在進(jìn)行研究以確定其他用途，如氫氣和乙醇生產(chǎn)以及燃料添加劑。甘油的其他轉(zhuǎn)化方法包括：氧化、氫化、氫解、醚化和縮合。

12 熱解/加氫作用

在生物燃料行業(yè)，脂肪酸甲酯必須轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠�合物，以便更好地與現(xiàn)有煉油廠基礎(chǔ)設(shè)施相兼容。

熱解是在沒(méi)有氧氣的情況下加熱和分解有機(jī)材料的過(guò)程�？焖贌峤�，涉及非常快速的加熱，是這個(gè)過(guò)程的更高效版本。碳氧鍵分解成更熱力學(xué)穩(wěn)定的二氧化碳，從而產(chǎn)生碳?xì)浠�合物。熱解相比氣化的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它需要較少的熱量，因此能量消耗更少。一個(gè)缺點(diǎn)是高水分含量，必須在進(jìn)一步處理前去除。

加氫是指分子氫的催化反應(yīng)，以去除氧鍵，從而產(chǎn)生碳?xì)浠�合物�?/span>

這兩個(gè)過(guò)程都產(chǎn)生了最終結(jié)果為更簡(jiǎn)單的化合物，然后可以進(jìn)一步精煉成可再生的生物燃料，以及精細(xì)化學(xué)品和脂肪。

引用

1) U.S. Department of Energy. 2008.

2) Oil Sands Discovery Centre. “The Oil Sands Story.” Feb.2008

3) Hagenbaugh, Barbara. June 2006 “High Cost of Oil CouldPut Many Jobs at Risk.” USA Today. June 2008.