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过滤技术与未来的燃料
作者:Ken Sutherland
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炼油设备, 生物柴油生产设备, 煤化工设备, ...
石化能源材料——煤炭、石油和天然气的加工是分离设备的一项重要工业应用领域。生物燃料作为一种可持续发展的替代品,已经成为了这些石化燃料的补充。Ken Sutherland讨论了过滤和其他分离设备在整个燃料加工领域中的应用范围,重点论述了生物燃料的生产。

在利用地球的石化能源储备生产可用燃料的这一过程中,有一个非常明确的两阶段工艺,该工艺结合了两项工作内容,首先是从地球开采能源材料,接着对它们进行处理以备有效燃烧之用。这两步工艺——开采与加工——可以在地球上截然不同的地方实施。二者通常都在大型工厂内完成,在燃料来源处开采,在距离终端使用市场相对较近的地方加工。

作为用于能源生产的一种可行的替代品,生物燃料的出现已经在一定程度上改变了这种两阶段的系统,“开采”阶段现在被日益发展的基本植物原料所取代,并且能进行较小规模的“开采”来适应本地市场(虽然规模经济仍然适用)。

本文讨论了过滤和其他分离设备在石化燃料加工过程中的使用情况,重点分析了越来越重要的生物燃料范畴。

能源的未来

经常有人预言全球石化燃料将会枯竭,虽然这种情况尚未发生,但是至少石油和天然气资源目前的预测寿命相当短。《世界能源统计》(BP Statistical Review of World Energy)在2010年6月刊中指出,至2009年时,石油的使用寿命为45.7年,天然气的使用寿命为62.8年(通过已证实的资源量与当前生产率之比来测算),这预示着以石化燃料为基础的全球经济前景不容乐观。但是,值得注意的是,在过去的几年中,这两项使用寿命数据并未发生大的变化,也就是说,发现新燃料资源的速度赶得上日渐增长的燃料消耗速度——这种状况有望持续一段时间。还有一个事实,即煤炭的实际储量超过石油和天然气储量的二到三倍,而在寻找新煤炭储量方面的投资则少得多。

这些关于资源寿命期的意见没有注意到全球气候变暖的现象,该现象在很大程度上被归咎于过度使用石化燃料。国际上为减小未来的气候变化而采取的措施可能会大大缩短这些燃料的寿命,除非这些措施能够减少资源消耗。

总而言之,这些意见认为,如果选用能源材料的方式不发生显著改变,那么就无法支撑世界经济的持续发展。这些改变包括:

◆ 煤炭的使用发生重大改变,朝着清洁化煤炭生产的方向发展,并且其燃烧过程更洁净。
◆ 从开采难度稍高一点儿的油气藏量中生产石油和天然气,例如页岩气、沥青砂、油页岩和煤层气。
◆ 大量投资于与所有石化燃料相关的二氧化碳捕集与封存技术(CSS)。
◆ 重新强调能源的有效利用,特别是在民用领域,当然也包括工业运营方面。
◆ 核能发电的复兴,它在工作期间几乎不排放二氧化碳(当然不是没有其自身的废弃物问题);
◆ 投资那些间接转换太阳能的所有可再生能源技术——水力发电、风力发电、波浪发电和潮汐发电;
◆ 迅速研发生物质转换过程——在其寿命周期中进行有效的碳中和——不消耗食物原料,而是利用农业和食品加工的废物,以及专为生物燃料生产而种植的农作物。

总的来说,影响这个领域的一个主要策略性问题是,需要在以下两者之间进行选择,一是将这些材料作为能源的来源,除了碳排放问题之外,材料被用作这一目的显然是非常合适的 ;二是用作众多化工行业的原料,用于这一目的,它们几乎是唯一适合的原料。

煤炭加工

原煤加工已经为筛分机、过滤器和离心分离机提供了相当大的市场,尤其是在洗煤处理领域中。如果在“清洁煤”的其中一个系统中恢复大量使用煤炭,那么该行业将得到显著发展,它将可能采用某种化学处理来清除硫化物和混入煤炭内的其他杂质。这将为过滤器和离心分离机的应用创造机会,在相当具有磨蚀性,并且可能还有腐蚀性的环境中使用它们——需要一定量的金属介质。

如果安装了碳捕集和封存系统,那么煤炭行业将再次发展壮大。这些系统需要在回注二氧化碳之前对它们进行精密过滤,不过这些内容将留到后面的天然气加工一节中再讨论。

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就整个能源材料领域而言,煤炭最突出的问题在于它不能取代石油作为车用燃料。通过氢化作用将煤炭转化为液体燃料就能克服这个问题。这种转化(有几个关键的过滤应用)是几种主要的清洁煤加工技术之一,它使用已有的加工工艺——就像气化一样。

石油加工

当原油从地下储油层(或者从沥青砂储量层)中被开采出来之后,将通过管道或者油船将它们输送到炼油厂,有时要经过长途运输,在炼油厂内要对原油进行多种提纯和转化加工。这些加工工艺使用一系列的过滤和沉淀设备,其中特别突出的应用是液/液分离。主要的精炼工艺包括:

◆ 利用蒸馏工艺来精炼原油,以生产各种不同等级的石油;
◆ 对石油馏分和残渣进行裂化及重整,以生产石化原料;
◆ 混合石油馏分以生产更多的产品,例如润滑油;
◆ 处理工艺废气以恢复某些有用的成分。

精炼分离工作包括从裂化器和重整器产品流中回收催化剂,炉膛排烟过滤,对液体产物,尤其是润滑油和类似产品进行普通净化处理。许多精炼废物是油/水混合物,多层薄板分离器(lamellar separator)的典型应用就是从水中分离残渣油。

采用一些将固体煤炭转化为气体或者液体燃料的炼煤技术——以及类似的后处理技术,则煤炭经济的回归切实可行。
从裂化器和重整器废气中回收气态氢是一种重要的应用(对于气体分离膜)。关于未来使用氢作为可再生能源循环体系中的主要能源,以用在车辆和其他发动机内的燃料电池中,存在着很多意见。这是一种误解,因为氢并非能源,而是一种将能量从一处移至另一处的方式(有些类似于电)。在目前以及将来的一段时间内,生成氢的成本高于氢燃烧的可再生价值——所以愈发需要从精炼副产品中回收某些物质。

气体加工

从专用井中生产的天然气,可能还伴有原油,它们在离开井源时通常处于相当洁净的状态,接下来只需要过滤即可,如果可能的话,在接近使用时过滤。

对天然气流进行处理,清除其中的二氧化碳并封存,这是一种激动人心的应用(从过滤的角度来看)。这种情况下很可能通过把天然气压缩并注入地下岩层——以便长期存储天然气,或者提高采油速度。

当不怎么需要过滤,或直接注入岩层中时,可以把天然气注入油藏上方的气顶,既可以作为一种增强的石油回收工艺,也可以作为一种处理二氧化碳的封存方法。

直接注入天然气要求气体中不含有悬浮固体颗粒,或者至少要求固体小于2 μm。可以采用与发动机进气应用中完全相同的微孔过滤器来满足这一要求,例如使用V型块微褶过滤板。
该领域中的其他气体处理工艺包括:

◆ 将天然气冷凝成LNG(液化天然气)以便于运输(和存储);
◆ 将天然气转换为液体燃料的这种日益重要的转换;
◆ 从诸如垃圾填埋场、陈旧的或者未开采的采煤场,以及污泥消化池等次级来源中回收沼气。

核燃料加工

核能是一种合适的能源,它在工作期间不排放二氧化碳,但是它有严重的问题——公众的态度,关于放射性废物处置问题的令人满意的答案,以及高昂的资金成本。有些迹象表明它重新得到重视,但是对恐怖主义的担心一直困扰着该行业。

当大型核能问题再次得到确认之后,核燃料的加工和回收将为过滤业界带来不小的商机 :用于进气和排气过滤,以及恶劣工况下的液体过滤——金属介质过滤器非常适合于这种应用。

可再生能源系统

扩大可再生能源系统,使其成为可持续能源生产的核心,这一问题早已得到业内人士的广泛关注,但是,可再生能源只是对现有资源的扩大,假定例如大型风场的视觉干扰等是能够被接受的。即使到2020年,直接的可再生能源(风力、潮汐和波浪)预计不超过总能源的2%。可以预见,使用生物质原料作为燃料将取得更大的成功,这将在下一节中讨论——生物质的主要问题是它需要土地,这造成了它与粮食农作物之间的竞争。

广义而言,电动机械可再生系统(直接采集太阳能、风能,以及波浪能和潮汐能)不涉及过滤或者沉淀设备。

生物燃料加工

从能源材料生成的角度而言,由植物性物质(以及从少得多的程度来说,由动物性副产品)产生的原料经过两类加工:

◆ 将生物质作为固体燃料燃烧;
◆ 以及将生物质转变为液体燃料。

将生物质整体用作固体燃料需要用到生长特殊的木本作物(如柳树),或者如秸秆等农业废物(甚至还有鸡粪),将它们大捆大捆地送入炉膛内或者设计合理的熔炉内。由此产生的垃圾可以用作肥料,炉膛排烟也必须经过处理以回收其中的灰分。该加工非常类似于RDF(垃圾衍生燃料)球团的燃烧。不同之处在于,该加工中的排烟处理几乎不使用过滤设备。

利用生物质生产液体燃料有三种方式。第一种方法是使用全植物原料,并通过高温分解将它们转化为气液混合物,然后对该混合物进行精炼以生产各类燃料产品。这是一种旧式的加工方法,称为木材干馏法,在被石油衍生物取代之前,它还是有机化工业的基础。这项技术现在得到了新的发展,通过使用催化剂来控制生成材料的种类。因为该加工方法非常适合于将植物性废料转化为油料,所以在有关液体生物燃料生产的任何全面调研中,必须将其作为一种可行的方法来加以考虑。

另外两种更具活性的加工方法利用植物性物质来生产液体燃料,它们使用两种截然不同的工艺来生产两种完全不同的燃料。第一种加工方法利用含糖原料的发酵来生产生物乙醇(或者生物丁醇),生产方式类似于啤酒的酿造。原料可以是谷物,如小麦、大麦或者玉米,它们的淀粉含量必须首先被水解为糖,此外还可以用糖类作物、甜菜或者甘蔗作为原料。这些原料全部都是粮食农作物,这意味着生物燃料的生产与粮食生产之间产生了竞争。

大多数植物性物质不是以果实或者种子的形态存在,而是以茎或叶的形式存在,其中还包括纤维素,只不过它的可利用形式较少(木质纤维素)。如果可以使这种材料发酵,那么将有更多的原料资源变得可用,而不局限于废料,也无需与粮食农作物竞争。现在正在研发利用酶水解技术将木质纤维转变为可发酵糖。

另一种液体燃料加工方法也同样存在着与粮食农作物竞争的问题,它通过对植物油(包括废弃植物油和动物脂肪)的化学处理来生产生物柴油。原油可以通过压榨含油种子作物得到,如大豆、蓖麻子、向日葵籽、油菜籽、玉米和油椰子(从果实或者果核)。由此生成的燃料被称为生物柴油,这是因为在车辆发动机内,它看起来以及工作起来都很像石油衍生的柴油,但是它们的化学成分完全不同。石化柴油是碳氢化合物的混合物,而生物柴油是长链脂肪酸酯(主要是甲基)的混合物。同样地,生物柴油每单位容量的能量含量低于石化柴油,但是它的粘度更低,燃烧更清洁,产生的烟粒更少。

目前,正是利用上述的含油种子作物来生产生物柴油,它们当中的大部分还用于食品加工。不过,业内人士正在做出一些努力,旨在利用食品加工不需要的那些作物(油菜籽)来生产生物柴油,尤其是那些能在贫瘠的土壤里生长的作物,例如麻疯树。

上述两种液体燃料加工方法都需要大面积土地来种植其原料,正因为如此,所以开发利用在贫瘠土壤里生长的植物意义重大。如果不改变发动机的设计,生物乙醇只能用在相对较少的一部分汽车内。

另一方面,生物柴油能够取代石油,而不影响发动机。
用于生产生物燃料的原料所具有的本质特征是,它们可再生,也就是说,它们能够被取代,能够由于太阳照射而很快地长出新作物。对于很多基于植物的原料而言,这意味着每年都能生成新原料,而目标应该设定为尽可能实现一年收获两季。(值得注意的是,这不是一种非常高效的将阳光转化为能源的方式,不仅采集效率低,还有种植和收割成本。)

设备的使用

制造液体生物燃料所用的设备是一种集过滤器与离心分离机于一体的混合式设备,用于生产生物乙醇的那些设备与酿造所用的设备一样高效。生物柴油的加工更复杂一些,离心分离机在植物油精炼阶段特别重要——因而对该设备进行改进以利于生物柴油的生产。典型的加工需要分离步骤:

◆ 用于压榨出油,然后通过过滤器或者离心分离机来净化原油;
◆ 用于精炼原油;
◆ 在漂白,以及/或者除臭,以及/或者防冻之后;
◆ 在酯交换反应之前;
◆ 用于从甘油中分离出成品油;
◆ 用于分离副产品和回收甲醇;
◆ 以及用于提高成品油的品质。

未来趋势

想为未来找到一种不影响环境的无限可持续发展能源,不是件容易的事情。最可能的几种情况大致如下:

a. 继续使用石化燃料,在需求量不断上涨的地方,尽可能地运用强化开采技术;
b. 更注重能源使用效率;
c. 恢复对核能的加大投资;
d. 研发清洁煤炭加工方法,尤其是转化为气体或者液体燃料的加工;
e. 广泛运用CCS加工方法,以减少碳排量;
f. 以及迅速扩大液体生物燃料的生产,并且采用非粮食作物作为原料,很可能通过生物质炼油厂来加工。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (1/10/2013)
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