化學(xué)家嘗試將頁(yè)巖氣轉(zhuǎn)變成諸多化工原料

　　當(dāng)“無(wú)畏號(hào)”在挪威弗里耶爾峽灣藍(lán)寶石色的海面上緩緩行駛時(shí)，陪護(hù)的拖船向天空噴射著水流，以“通報(bào)”它的到來(lái)。在甲板下的巨大低溫貯罐中，這艘船只運(yùn)載了27500立方米液態(tài)乙烷——足以填滿11個(gè)奧運(yùn)會(huì)游泳池。“無(wú)畏號(hào)”還帶來(lái)了一條訊息，那就是其船身一側(cè)涂著的巨大大寫(xiě)字母——“頁(yè)巖氣會(huì)帶來(lái)革命”。

　　“無(wú)畏號(hào)”在2016年3月的到來(lái)實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣從美國(guó)到歐洲的首次船舶運(yùn)輸，并且標(biāo)志著一個(gè)新興商業(yè)領(lǐng)域的開(kāi)啟。在此之后，更多的長(zhǎng)達(dá)180米的巨型船只陸續(xù)起航，在大西洋上形成了運(yùn)輸乙烷的“虛擬管道”。這種通過(guò)對(duì)頁(yè)巖沉積物進(jìn)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(xué)基本成分。

　　“無(wú)畏號(hào)”的航行充分證明了美國(guó)的頁(yè)巖氣正在以非常低廉的價(jià)格重塑化學(xué)行業(yè)并且改變著無(wú)數(shù)制造品的來(lái)源。幾十年來(lái)，這個(gè)行業(yè)的原材料主要來(lái)自原油。化工廠將原油中的長(zhǎng)碳?xì)浠衔锓肿臃纸?，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(yè)巖氣正在改變這一路徑。它的儲(chǔ)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?xì)浠衔?，成為工業(yè)合成首選的原材料。

　　乙烷革命

　　盡管乙烷只占頁(yè)巖氣的一小部分，但迄今為止它對(duì)化學(xué)工業(yè)產(chǎn)生了最大影響。這是因?yàn)榛瘜W(xué)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(duì)這些塑料的需求是如此“貪婪”，以至于化學(xué)工業(yè)每年生產(chǎn)約1.5億噸乙烯——遠(yuǎn)超任何一種化學(xué)原料。

　　化學(xué)工業(yè)的大多數(shù)過(guò)程要用到催化劑。不過(guò)，乙烯可通過(guò)蒸汽裂解乙烷或者較大碳?xì)浠衔锉惠p松生產(chǎn)出來(lái)。在上世紀(jì)20年代被首次提出的蒸汽裂解法是一個(gè)簡(jiǎn)單但耗費(fèi)大量能源的過(guò)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(shuō)，“整個(gè)流程的核心是一個(gè)巨大的爐子。所有化學(xué)反應(yīng)都在這里面進(jìn)行。”

　　利用頁(yè)巖氣生產(chǎn)乙烷行業(yè)的繁榮，驅(qū)動(dòng)化學(xué)工業(yè)投資近450億美元用于擴(kuò)大蒸汽裂解能力。不過(guò)，向這種原料的轉(zhuǎn)變也帶來(lái)了一件令人頭疼的事情。當(dāng)蒸汽裂解裝置被填充上來(lái)自原油的長(zhǎng)碳?xì)浠衔锏幕旌衔飼r(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生大量有用的副產(chǎn)品。然而，當(dāng)它們利用乙烷作為原料時(shí)，產(chǎn)物幾乎全部是乙烯。“因此，其他化工原料就會(huì)短缺。”Weckhuysen表示。

　　其中一種原料是丙烯。它是化學(xué)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(guò)，一項(xiàng)估測(cè)顯示，美國(guó)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(duì)抗這種短缺，化學(xué)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(yè)巖氣組分——丙烷開(kāi)始。加熱和催化劑的結(jié)合可將兩個(gè)氫原子移除，從而將丙烷轉(zhuǎn)變成丙烯。

　　甲烷的問(wèn)題

　　費(fèi)—托法(FT)利用鈷或者鐵催化劑以及熱量產(chǎn)生碳原子拓?fù)滏湲a(chǎn)物。FT由德國(guó)科學(xué)家在上世紀(jì)20年代提出，被用于制造石油和其他一系列以來(lái)自煤的合成氣為原料產(chǎn)生的碳?xì)浠衔铩?/p>

　　通常，和提煉石油相比，利用這種方法產(chǎn)生運(yùn)輸燃料的成本相對(duì)較高。全球僅有6座大型FT工廠，并且只是因?yàn)榈靡嬗谄溧徑笮兔旱V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(jì)價(jià)值。全球最大的FT工廠位于卡塔爾，光建造成本便高達(dá)190億美元，同時(shí)每天要消耗4500萬(wàn)立方米甲烷——相當(dāng)于比利時(shí)的天然氣消耗量。

　　不過(guò)，頁(yè)巖氣行業(yè)的繁榮促使化學(xué)工程師重新審視FT過(guò)程。由于頁(yè)巖氣井通常無(wú)法產(chǎn)生足夠的天然氣來(lái)支撐傳統(tǒng)的FT工廠，因此研究團(tuán)隊(duì)和公司開(kāi)發(fā)了能處理適量氣體流動(dòng)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(kāi)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(zhǎng)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(guó)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(kāi)始生產(chǎn)。

　　對(duì)于FT過(guò)程來(lái)說(shuō)，溫度控制是一大挑戰(zhàn)：反應(yīng)在約180℃下進(jìn)行，隨后會(huì)產(chǎn)生大量熱量。如果未得到準(zhǔn)確控制，反應(yīng)便會(huì)失控，從而將碳原子轉(zhuǎn)變成無(wú)用的油煙。為解決這一問(wèn)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(jìn)行，因此反應(yīng)爐可在沒(méi)有失控反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的情況下高效利用催化劑。“它能讓你在一個(gè)很小的空間內(nèi)進(jìn)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(yè)巖氣行業(yè)的繁榮被認(rèn)為促成了美國(guó)化學(xué)工業(yè)的再次復(fù)興。該國(guó)化學(xué)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(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)采利用技術(shù)升級(jí)換代的巨大興趣造就了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界之間的多項(xiàng)重要合作。

　　將實(shí)驗(yàn)室成果轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品是一項(xiàng)持續(xù)性的挑戰(zhàn)，盡管向開(kāi)發(fā)小型、模塊化反應(yīng)爐轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)正在讓這一挑戰(zhàn)變得沒(méi)有那么艱巨?；瘜W(xué)工業(yè)以保守著稱(chēng)：如果一個(gè)過(guò)程在實(shí)驗(yàn)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(fèi)，同時(shí)工廠會(huì)被關(guān)停數(shù)月。“工業(yè)界不會(huì)冒這種風(fēng)險(xiǎn)，除非它們確定某個(gè)過(guò)程是行得通的。”Weckhuysen表示。

　　盡管存在諸多挑戰(zhàn)，Weckhuysen仍對(duì)頁(yè)巖氣升級(jí)將產(chǎn)生巨大影響持樂(lè)觀態(tài)度——不僅對(duì)化學(xué)工業(yè)的流程，還會(huì)對(duì)環(huán)境足跡帶來(lái)影響。Velocys公司發(fā)現(xiàn)，一些正在開(kāi)發(fā)的以頁(yè)巖氣為原料的反應(yīng)爐技術(shù)通過(guò)改造，可利用生物原料，比如來(lái)自垃圾填埋場(chǎng)的甲烷。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)向頁(yè)巖氣產(chǎn)生的一些化合物的短缺，會(huì)推動(dòng)化學(xué)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(guó)輪胎制造商米其林和合作者啟動(dòng)一項(xiàng)耗資5200萬(wàn)歐元的項(xiàng)目，生產(chǎn)來(lái)自生物乙醇的丁二烯。

　　不過(guò)，就目前來(lái)說(shuō)，美國(guó)的頁(yè)巖氣甲烷還在源源不斷地進(jìn)入世界各地。更多的化學(xué)公司正在用船只將頁(yè)巖氣運(yùn)送到位于歐洲、巴西和印度的目的地。一項(xiàng)估測(cè)顯示，到2022年，每年將有約800萬(wàn)噸乙烷流經(jīng)這些虛擬管道。它們將把這場(chǎng)美國(guó)化學(xué)工業(yè)正在經(jīng)歷的革命攜帶至全球其他地方——既帶來(lái)了挑戰(zhàn)，也創(chuàng)造了機(jī)遇。(宗華編譯)