化学家尝试将页岩气转变成现代生活所需的诸多成分

2016年9月，运载着美国页岩气的“无畏号”正在靠近苏格兰港口。

　　当“无畏号”在挪威弗里耶尔峡湾蓝宝石色的海面上缓缓行驶时，陪护的拖船向天空喷射着水流，以“通报”它的到来。在甲板下的巨大低温贮罐中，这艘船只运载了27500立方米液态乙烷——足以填满11个奥运会游泳池。“无畏号”还带来了一条讯息，那就是其船身一侧涂着的巨大大写字母——“页岩气会带来革命”。

　　“无畏号”在2016年3月的到来实现了页岩气从美国到欧洲的首次船舶运输，并且标志着一个新兴商业领域的开启。在此之后，更多的长达180米的巨型船只陆续起航，在大西洋上形成了运输乙烷的“虚拟管道”。这种通过对页岩沉积物进行水力压裂并从地下抽取的气体，并不是为了向发电站或家用炉灶提供燃料。相反，它将被转换成制造包括塑料、衣服、黏合剂和药物在内的诸多产品所需的化学基本成分。

　　“无畏号”的航行充分证明了美国的页岩气正在以非常低廉的价格重塑化学行业并且改变着无数制造品的来源。几十年来，这个行业的原材料主要来自原油。化工厂将原油中的长碳氢化合物分子分解，以产生各种较小分子的“大杂烩”，比如乙烯、丙烯和苯。而它们都是聚合物的重要原料。

　　然而，主要由甲烷、乙烷和丙烷构成的页岩气正在改变这一路径。它的储量是如此的丰富，以至于将这些分子的成本大大降低。其中一些正在取代大的碳氢化合物，成为工业合成首选的原材料。

　　乙烷革命

　　尽管乙烷只占页岩气的一小部分，但迄今为止它对化学工业产生了最大影响。这是因为化学家能很容易地利用它生产乙烯。乙烯被用于制造各种聚乙烯，并且是诸如聚氯乙烯、聚苯乙烯等其他塑料的前体。全世界对这些塑料的需求是如此“贪婪”，以至于化学工业每年生产约1.5亿吨乙烯——远超任何一种化学原料。

　　化学工业的大多数过程要用到催化剂。不过，乙烯可通过蒸汽裂解乙烷或者较大碳氢化合物被轻松生产出来。在上世纪20年代被首次提出的蒸汽裂解法是一个简单但耗费大量能源的过程。它只需要一些水和850℃的温度。“你要做的基本上就是给它加热。”总部位于纽约的IHS Markit公司行业分析师Jeffrey Plotkin介绍说，“整个流程的核心是一个巨大的炉子。所有化学反应都在这里面进行。”

　　利用页岩气生产乙烷行业的繁荣，驱动化学工业投资近450亿美元用于扩大蒸汽裂解能力。不过，向这种原料的转变也带来了一件令人头疼的事情。当蒸汽裂解装置被填充上来自原油的长碳氢化合物的混合物时，它们会产生大量有用的副产品。然而，当它们利用乙烷作为原料时，产物几乎全部是乙烯。“因此，其他化工原料就会短缺。”Weckhuysen表示。

　　其中一种原料是丙烯。它是化学工业仅次于乙烯的第二种最重要的产品。丙烯被转变成聚丙烯—— 一种被用于包装和纺织业的塑料，以及诸如丙烯酸等其他聚合物成分。不过，一项估测显示，美国蒸汽裂解装置产生的丙烯在2005~2014年下降了近一半，尽管全球需求不断上升。

　　为对抗这种短缺，化学工业正在寻找其他方法生产丙烯。其中一条主流路线从页岩气组分——丙烷开始。加热和催化剂的结合可将两个氢原子移除，从而将丙烷转变成丙烯。

　　甲烷的问题

　　费—托法（FT）利用钴或者铁催化剂以及热量产生碳原子拓扑链产物。FT由德国科学家在上世纪20年代提出，被用于制造石油和其他一系列以来自煤的合成气为原料产生的碳氢化合物。

　　通常，和提炼石油相比，利用这种方法产生运输燃料的成本相对较高。全球仅有6座大型FT工厂，并且只是因为得益于其邻近大型煤矿或者天然气田以及自身令人难以置信的规模才有经济价值。全球最大的FT工厂位于卡塔尔，光建造成本便高达190亿美元，同时每天要消耗4500万立方米甲烷——相当于比利时的天然气消耗量。

　　不过，页岩气行业的繁荣促使化学工程师重新审视FT过程。由于页岩气井通常无法产生足够的天然气来支撑传统的FT工厂，因此研究团队和公司开发了能处理适量气体流动的较小反应炉。其中一家工厂是位于得克萨斯州休斯顿市的Velocys公司。它开发出可将合成气转变成诸如石脑油、柴油、蜡等物质的5米长反应炉。该公司的反应炉技术被用在位于俄克拉荷马市的美国首座商用微型FT工厂中。这座由ENVIA能源公司所属的工厂在今年年初开始生产。

　　对于FT过程来说，温度控制是一大挑战：反应在约180℃下进行，随后会产生大量热量。如果未得到准确控制，反应便会失控，从而将碳原子转变成无用的油烟。为解决这一问题，Velocys公司的反应炉含有一层填满了催化剂或者水的波纹状通道。这使得反应在200℃下稳定进行，因此反应炉可在没有失控反应风险的情况下高效利用催化剂。“它能让你在一个很小的空间内进行很多反应。”Velocys公司商务拓展总监Neville Hargreaves表示。

　　更加绿色的气体

　　页岩气行业的繁荣被认为促成了美国化学工业的再次复兴。该国化学工业在化工厂和其他基础设施以及研发上投入巨资。对页岩气开采利用技术升级换代的巨大兴趣造就了学术界和产业界之间的多项重要合作。

　　将实验室成果转化为商业产品是一项持续性的挑战，尽管向开发小型、模块化反应炉转变的趋势正在让这一挑战变得没有那么艰巨。化学工业以保守著称：如果一个过程在实验室里成功了但在工业规模上失败，数吨催化剂可能被浪费，同时工厂会被关停数月。“工业界不会冒这种风险，除非它们确定某个过程是行得通的。”Weckhuysen表示。

　　尽管存在诸多挑战，Weckhuysen仍对页岩气升级将产生巨大影响持乐观态度——不仅对化学工业的流程，还会对环境足迹带来影响。Velocys公司发现，一些正在开发的以页岩气为原料的反应炉技术通过改造，可利用生物原料，比如来自垃圾填埋场的甲烷。与此同时，转向页岩气产生的一些化合物的短缺，会推动化学工业转变生产方式，比如利用作物生产乙醇或者利用木材生产木质素。这一切已经在发生了。例如，2013年，法国轮胎制造商米其林和合作者启动一项耗资5200万欧元的项目，生产来自生物乙醇的丁二烯。

　　不过，就目前来说，美国的页岩气甲烷还在源源不断地进入世界各地。更多的化学公司正在用船只将页岩气运送到位于欧洲、巴西和印度的目的地。一项估测显示，到2022年，每年将有约800万吨乙烷流经这些虚拟管道。它们将把这场美国化学工业正在经历的革命携带至全球其他地方——既带来了挑战，也创造了机遇。