化學家嘗試將頁巖氣轉變成現代生活所需的諸多成分

2016年9月，運載著美國頁巖氣的“無畏號”正在靠近蘇格蘭港口。

　　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領域的開啟。在此之后，更多的長達180米的巨型船只陸續起航，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，并不是為了向發電站或家用爐灶提供燃料。相反，它將被轉換成制造包括塑料、衣服、黏合劑和藥物在內的諸多產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并且改變著無數制造品的來源。幾十年來，這個行業的原材料主要來自原油。化工廠將原油中的長碳氫化合物分子分解，以產生各種較小分子的“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產生了最大影響。這是因為化學家能很容易地利用它生產乙烯。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”，以至于化學工業每年生產約1.5億噸乙烯——遠超任何一種化學原料。

　　化學工業的大多數過程要用到催化劑。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。所有化學反應都在這里面進行。”

　　利用頁巖氣生產乙烷行業的繁榮，驅動化學工業投資近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，它們會產生大量有用的副產品。然而，當它們利用乙烷作為原料時，產物幾乎全部是乙烯。“因此，其他化工原料就會短缺。”Weckhuysen表示。

　　其中一種原料是丙烯。它是化學工業僅次于乙烯的第二種最重要的產品。丙烯被轉變成聚丙烯—— 一種被用于包裝和紡織業的塑料，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，化學工業正在尋找其他方法生產丙烯。其中一條主流路線從頁巖氣組分——丙烷開始。加熱和催化劑的結合可將兩個氫原子移除，從而將丙烷轉變成丙烯。

　　甲烷的問題

　　費—托法（FT）利用鈷或者鐵催化劑以及熱量產生碳原子拓撲鏈產物。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生的碳氫化合物。

　　通常，和提煉石油相比，利用這種方法產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模才有經濟價值。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生足夠的天然氣來支撐傳統的FT工廠，因此研究團隊和公司開發了能處理適量氣體流動的較小反應爐。其中一家工廠是位于得克薩斯州休斯頓市的Velocys公司。它開發出可將合成氣轉變成諸如石腦油、柴油、蠟等物質的5米長反應爐。該公司的反應爐技術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。

　　對于FT過程來說，溫度控制是一大挑戰：反應在約180℃下進行，隨后會產生大量熱量。如果未得到準確控制，反應便會失控，從而將碳原子轉變成無用的油煙。為解決這一問題，Velocys公司的反應爐含有一層填滿了催化劑或者水的波紋狀通道。這使得反應在200℃下穩定進行，因此反應爐可在沒有失控反應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進行很多反應。”Velocys公司商務拓展總監Neville Hargreaves表示。

　　更加綠色的氣體

　　頁巖氣行業的繁榮被認為促成了美國化學工業的再次復興。該國化學工業在化工廠和其他基礎設施以及研發上投入巨資。對頁巖氣開采利用技術升級換代的巨大興趣造就了學術界和產業界之間的多項重要合作。

　　將實驗室成果轉化為商業產品是一項持續性的挑戰，盡管向開發小型、模塊化反應爐轉變的趨勢正在讓這一挑戰變得沒有那么艱巨。化學工業以保守著稱：如果一個過程在實驗室里成功了但在工業規模上失敗，數噸催化劑可能被浪費，同時工廠會被關停數月。“工業界不會冒這種風險，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，Weckhuysen仍對頁巖氣升級將產生巨大影響持樂觀態度——不僅對化學工業的流程，還會對環境足跡帶來影響。Velocys公司發現，一些正在開發的以頁巖氣為原料的反應爐技術通過改造，可利用生物原料，比如來自垃圾填埋場的甲烷。與此同時，轉向頁巖氣產生的一些化合物的短缺，會推動化學工業轉變生產方式，比如利用作物生產乙醇或者利用木材生產木質素。這一切已經在發生了。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800萬噸乙烷流經這些虛擬管道。它們將把這場美國化學工業正在經歷的革命攜帶至全球其他地方——既帶來了挑戰，也創造了機遇。