化學家嘗試將頁巖氣轉(zhuǎn)變成諸多化工原料

　　當“無畏號”在挪威弗里耶爾峽灣藍寶石色的海面上緩緩行駛時，陪護的拖船向天空噴射著水流，以“通報”它的到來。在甲板下的巨大低溫貯罐中，這艘船只運載了27500立方米液態(tài)乙烷——足以填滿11個奧運會游泳池。“無畏號”還帶來了一條訊息，那就是其船身一側(cè)涂著的巨大大寫字母——“頁巖氣會帶來革命”。

　　“無畏號”在2016年3月的到來實現(xiàn)了頁巖氣從美國到歐洲的首次船舶運輸，并且標志著一個新興商業(yè)領(lǐng)域的開啟。在此之后，更多的長達180米的巨型船只陸續(xù)起航，在大西洋上形成了運輸乙烷的“虛擬管道”。這種通過對頁巖沉積物進行水力壓裂并從地下抽取的氣體，并不是為了向發(fā)電站或家用爐灶提供燃料。相反，它將被轉(zhuǎn)換成制造包括塑料、衣服、黏合劑和藥物在內(nèi)的諸多產(chǎn)品所需的化學基本成分。

　　“無畏號”的航行充分證明了美國的頁巖氣正在以非常低廉的價格重塑化學行業(yè)并且改變著無數(shù)制造品的來源。幾十年來，這個行業(yè)的原材料主要來自原油?；S將原油中的長碳氫化合物分子分解，以產(chǎn)生各種較小分子的“大雜燴”，比如乙烯、丙烯和苯。而它們都是聚合物的重要原料。

　　然而，主要由甲烷、乙烷和丙烷構(gòu)成的頁巖氣正在改變這一路徑。它的儲量是如此的豐富，以至于將這些分子的成本大大降低。其中一些正在取代大的碳氫化合物，成為工業(yè)合成首選的原材料。

　　乙烷革命

　　盡管乙烷只占頁巖氣的一小部分，但迄今為止它對化學工業(yè)產(chǎn)生了最大影響。這是因為化學家能很容易地利用它生產(chǎn)乙烯。乙烯被用于制造各種聚乙烯，并且是諸如聚氯乙烯、聚苯乙烯等其他塑料的前體。全世界對這些塑料的需求是如此“貪婪”，以至于化學工業(yè)每年生產(chǎn)約1.5億噸乙烯——遠超任何一種化學原料。

　　化學工業(yè)的大多數(shù)過程要用到催化劑。不過，乙烯可通過蒸汽裂解乙烷或者較大碳氫化合物被輕松生產(chǎn)出來。在上世紀20年代被首次提出的蒸汽裂解法是一個簡單但耗費大量能源的過程。它只需要一些水和850℃的溫度。“你要做的基本上就是給它加熱。”總部位于紐約的IHS Markit公司行業(yè)分析師Jeffrey Plotkin介紹說，“整個流程的核心是一個巨大的爐子。所有化學反應(yīng)都在這里面進行。”

　　利用頁巖氣生產(chǎn)乙烷行業(yè)的繁榮，驅(qū)動化學工業(yè)投資近450億美元用于擴大蒸汽裂解能力。不過，向這種原料的轉(zhuǎn)變也帶來了一件令人頭疼的事情。當蒸汽裂解裝置被填充上來自原油的長碳氫化合物的混合物時，它們會產(chǎn)生大量有用的副產(chǎn)品。然而，當它們利用乙烷作為原料時，產(chǎn)物幾乎全部是乙烯。“因此，其他化工原料就會短缺。”Weckhuysen表示。

　　其中一種原料是丙烯。它是化學工業(yè)僅次于乙烯的第二種最重要的產(chǎn)品。丙烯被轉(zhuǎn)變成聚丙烯—— 一種被用于包裝和紡織業(yè)的塑料，以及諸如丙烯酸等其他聚合物成分。不過，一項估測顯示，美國蒸汽裂解裝置產(chǎn)生的丙烯在2005~2014年下降了近一半，盡管全球需求不斷上升。

　　為對抗這種短缺，化學工業(yè)正在尋找其他方法生產(chǎn)丙烯。其中一條主流路線從頁巖氣組分——丙烷開始。加熱和催化劑的結(jié)合可將兩個氫原子移除，從而將丙烷轉(zhuǎn)變成丙烯。

　　甲烷的問題

　　費—托法(FT)利用鈷或者鐵催化劑以及熱量產(chǎn)生碳原子拓撲鏈產(chǎn)物。FT由德國科學家在上世紀20年代提出，被用于制造石油和其他一系列以來自煤的合成氣為原料產(chǎn)生的碳氫化合物。

　　通常，和提煉石油相比，利用這種方法產(chǎn)生運輸燃料的成本相對較高。全球僅有6座大型FT工廠，并且只是因為得益于其鄰近大型煤礦或者天然氣田以及自身令人難以置信的規(guī)模才有經(jīng)濟價值。全球最大的FT工廠位于卡塔爾，光建造成本便高達190億美元，同時每天要消耗4500萬立方米甲烷——相當于比利時的天然氣消耗量。

　　不過，頁巖氣行業(yè)的繁榮促使化學工程師重新審視FT過程。由于頁巖氣井通常無法產(chǎn)生足夠的天然氣來支撐傳統(tǒng)的FT工廠，因此研究團隊和公司開發(fā)了能處理適量氣體流動的較小反應(yīng)爐。其中一家工廠是位于得克薩斯州休斯頓市的Velocys公司。它開發(fā)出可將合成氣轉(zhuǎn)變成諸如石腦油、柴油、蠟等物質(zhì)的5米長反應(yīng)爐。該公司的反應(yīng)爐技術(shù)被用在位于俄克拉荷馬市的美國首座商用微型FT工廠中。這座由ENVIA能源公司所屬的工廠在今年年初開始生產(chǎn)。

　　對于FT過程來說，溫度控制是一大挑戰(zhàn)：反應(yīng)在約180℃下進行，隨后會產(chǎn)生大量熱量。如果未得到準確控制，反應(yīng)便會失控，從而將碳原子轉(zhuǎn)變成無用的油煙。為解決這一問題，Velocys公司的反應(yīng)爐含有一層填滿了催化劑或者水的波紋狀通道。這使得反應(yīng)在200℃下穩(wěn)定進行，因此反應(yīng)爐可在沒有失控反應(yīng)風險的情況下高效利用催化劑。“它能讓你在一個很小的空間內(nèi)進行很多反應(yīng)。”Velocys公司商務(wù)拓展總監(jiān)Neville Hargreaves表示。

　　更加綠色的氣體

　　頁巖氣行業(yè)的繁榮被認為促成了美國化學工業(yè)的再次復(fù)興。該國化學工業(yè)在化工廠和其他基礎(chǔ)設(shè)施以及研發(fā)上投入巨資。對頁巖氣開采利用技術(shù)升級換代的巨大興趣造就了學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界之間的多項重要合作。

　　將實驗室成果轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品是一項持續(xù)性的挑戰(zhàn)，盡管向開發(fā)小型、模塊化反應(yīng)爐轉(zhuǎn)變的趨勢正在讓這一挑戰(zhàn)變得沒有那么艱巨?；瘜W工業(yè)以保守著稱：如果一個過程在實驗室里成功了但在工業(yè)規(guī)模上失敗，數(shù)噸催化劑可能被浪費，同時工廠會被關(guān)停數(shù)月。“工業(yè)界不會冒這種風險，除非它們確定某個過程是行得通的。”Weckhuysen表示。

　　盡管存在諸多挑戰(zhàn)，Weckhuysen仍對頁巖氣升級將產(chǎn)生巨大影響持樂觀態(tài)度——不僅對化學工業(yè)的流程，還會對環(huán)境足跡帶來影響。Velocys公司發(fā)現(xiàn)，一些正在開發(fā)的以頁巖氣為原料的反應(yīng)爐技術(shù)通過改造，可利用生物原料，比如來自垃圾填埋場的甲烷。與此同時，轉(zhuǎn)向頁巖氣產(chǎn)生的一些化合物的短缺，會推動化學工業(yè)轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式，比如利用作物生產(chǎn)乙醇或者利用木材生產(chǎn)木質(zhì)素。這一切已經(jīng)在發(fā)生了。例如，2013年，法國輪胎制造商米其林和合作者啟動一項耗資5200萬歐元的項目，生產(chǎn)來自生物乙醇的丁二烯。

　　不過，就目前來說，美國的頁巖氣甲烷還在源源不斷地進入世界各地。更多的化學公司正在用船只將頁巖氣運送到位于歐洲、巴西和印度的目的地。一項估測顯示，到2022年，每年將有約800萬噸乙烷流經(jīng)這些虛擬管道。它們將把這場美國化學工業(yè)正在經(jīng)歷的革命攜帶至全球其他地方——既帶來了挑戰(zhàn)，也創(chuàng)造了機遇。(宗華編譯)