互动科普

天然气比石油更干净，储量也更丰富。将天然气转化为液体形式的新方法可能很快就会让天然气变得象石油一样廉价和方便地用于驱动汽车。

近来，无数的加利福尼亚州驾车者开始为一项重大转变作出自己的贡献。这些驾车者中很少有人认识到，当他们在加油站往他们的柴油车油箱中灌满燃料时，他们正在干着一件不同寻常的事。但是事实上，他们通过购买一种部分用天然气制造的燃料而帮助美国戒掉对原油的依赖。

用这种非传统方法生产的柴油燃料已在加利福尼亚州上市销售，因为用于制造这种燃料的气体基本上没有硫、氮和重金属(这些物质属于有毒污染物而排出汽车的尾气管)。普通柴油和用天然气合成的柴油的混合物能够符合加利福尼亚空气资源委员会所制订的最严格的排放标准。(目前壳牌石油公司正在印度尼西亚进行这种合成柴油的商业化生产。)

但是，天然气不仅是最洁净的化石燃料，它还是储量最丰富的化石燃料之一。工业分析家估计，全世界所拥有的容易开采的天然气足够生产5千亿桶合成原油——比在美国所发现的石油总量多一倍还不止。也许在煤层中和只能缓慢释放天然气的地质构造中还能找到比那个数量多一倍的天然气因此，在传统原油的供应量开始萎缩以后，从天然气制取的液体燃料还能让总体产量继续保持上升大约十来年之久。

虽然全球天然气储量是相当巨大的，许多天然气沉积构造却远离需要能源的人们的住地。然而，长距离输送天然气往往都是昂贵得难以让人接受。通过输气管道输送天然气的成本是输送石油的4倍，因为它的能量密度要低得多。所谓的多股天然气(stranded gas)可以经过冷却、压缩后以液体形式用油轮运送。不幸的是，所需的液化设备相当庞大复杂，又因为液化天然气相当难以操纵，因此对液化天然气的需求极其有限。

但是，假如有一个成本低廉的方法把天然气转化为在室温和常压下能保持液态形式的话，情况又会怎样呢?能够这样做的话，就能把这种能源毫不昂贵地用管道送到市场上去。如果这种液体燃料正好能在现有的车辆上使用，它就能替代目前用石油生产的汽油和柴油。而且石油生产者就能通过出售利用从他们的油井里所释放的天然气制造的液体燃料或其他宝贵的化学品在许多场合下保持盈利。

当前，从世界上许多地方的油井里释放出来的天然气简直毫无价值，以至于或者被就地烧掉，或者又重新注入地下。光是在阿拉斯加州，石油公司每天要把2亿立方米(大约相当于70亿立方英尺)的天然气用泵打回地下，主要是为了避免对大气增加二氧化碳的负担。二氧化碳是一种令人担忧的温室效应气体。

但是最近的技术进步推动了一些石油公司去考虑建造把天然气转化为液体形式的工厂，随后可以把液化了的天然气通过阿拉斯加输油管道经济地输送。在阿拉伯半岛，卡塔尔正与三家石油公司谈判关于建造一些天然气转化工厂，这些工厂将利用一个巨大的海上油田，单是这个油田的储层就蕴藏着全世界已探明天然气储量的大约十分之一。挪威最大的石油公司——国家石油公司——正在考虑在浮动平台上建造一个比较小的天然气转化样板工程，以把遥远的北海油田中的天然气液化。虽然这些液化天然气的项目将利用有所不同的技术，但它们都必须解决同样的化学基本问题：从较小的烃分子制造较大的烃分子。

经典配方

天然气的主要成分是甲烷，这是一种简单的分子，即在碳原子周围整齐地排列着四个氢原子。这种对称性使得甲烷特别稳定。要把它转化为液态首先需要打开它的化学键。高温和高压有助于打开这些键。经过巧妙设计的催化剂正是这样起作用的，催化剂是一种能促进化学反应却又自身不被消耗的物质。

把天然气转化成液体形式的传统“间接法靠的是强力。首先，利用蒸汽、热量和一种镍基催化剂把甲烷中的化学键打开，从而产生一种称为合成气(syngas)的一氧化碳和氢的混合物(合成气的正规英文拼法是（synthesis gas）。这一过程称为蒸汽重整(steam re—forming)。

第二步是从合成气生产液体燃料(或其他有用的石化产品)，它利用1923年由Franz Fischer和Hans Tropsch发明的一种方法。第二次世界大战期间，德国掌握了这一技术，利用从煤和大气中的氧气所制造的合成气生产液体燃料，从而确保了一个可靠的汽油和柴油的国内供应源。

这一Fischer-Tropsch术使得南非的Sasol公司能够在几十年中利用从煤制造的合成气从事液体燃料的商业化生产。今天，这家公司仍然使用同样的基本技术：把合成气吹过用钴、镍或铁制成的一种催化剂后转化成各种液态的烃。十分方便的是，Fischer—Tropsch反应会放出热量，这些热量往往被用来驱动制作合成气所需的氧气压缩机。

究竟哪些液体能从该反应中产生有赖于反应温度。例如，把反应器升温到330℃到350℃。(即626℉到662℉)将主要产生汽油和烯烃(烯烃是制造塑料的常用原材料)。在较低的温度下操作(180℃到250℃)则主要产生柴油和蜡。在两种条件下都会产生一种混合产品，因此还需要第三步也就是最后一步工艺过程，把反应产物精炼成可供使用的燃料。

将天然气所制成的合成粗料进行精练在许多方面都要比精炼天然原油来得容易合成粗料中实际上并不含硫，其中所含有的致癌化合物的量也比传统石油中所发现的量少。因此，天然气液化的终极产品属于高级燃料，释放的有害物质较少。

部分解决方案

这种转化天然气成液体的强力法相当可靠，但是由于它使用如此之多的能源，所以成本很高。传统的蒸汽重整法把甲烷和水蒸汽加压到大约30大气压，再把这些反应物料加热到大约900℃。还必须继续增添热量，以便使这一耗能极大的反应继续进行下去。这一额外添加的热量来自向反应混合物料注入少量氧气(氧气与部分甲烷燃烧发出热量，同时也增加了合成气的产量)。化学家把这后一步操作称为部分氧化。

总体上，合成气是利用蒸汽重整和部分氧化的各种组合生产的。在大多数情况下，这一工艺需要大量的氧气，而氧气很昂贵。现有的从空气中分离氧气的方法依靠冷却和液化空气，这一操作既耗费许多能量又耗费大量成本。因此，降低氧气成本是廉价制取合成气的关键所在。

幸运的是，近来的技术发展有望在今后几年中使氧气生产技术实现革命性变革。有一个策略是直接用空气代替纯氧来生产合成气。美国俄克拉何马州塔尔萨市的合成石油公司已经开发出一种方法，该方法在重整那一步鼓入空气和甲烷，再进行Fischer-Tropsch合成反应，从而生产出液体燃料．在天然气足够便宜的地方(倒如，那些目前被白白烧掉的地方)，即使按目前的原油价格来看，这种工艺也应该能有利可图。合成石油公司与德士古石油公司和英国的Brown&Root公司合作，打算在二年内建造一座采用这一技术的商业化生产液化天然气的工厂。

另外几家私营公司、大学和政府研究实验室正设法用一种完全不同的方法来解决氧气问题：他们正在研制陶瓷膜，这种膜只允许氧气通过。然后，这些陶瓷膜就能像筛子那样从空气中过滤出纯氧来。虽然这种陶瓷膜的制造仍很困难，而且成本很高，实验室里的样品却使用起来十分有效。在十来年之内，应该能够有商品化的陶瓷膜上市。

这些材料能使合成气的制造成本下降25%，使液体燃料的生产成本下降15%。由于制备合成气的温度可以比目前所使用的温度低200度，而且又不需要液化空气，上述成本上的节省是可以实现的。由于有了廉价和充足的氧气，光是部分氧化法就能够制备合成气。这种第一步生产过程就能够释放能量，而不是消耗能量了。

我和我的加拿大同事以及佛罗里达大学的研究人员，现在正试图制造种不同类型的陶瓷膜，这种膜能提供另外一种好处。我们正在研制的膜将能从气体混合物中除掉氢，把甲烷的部分氧化反应向前推进，而且还能提供一股纯的氢气流，这些氢气能用于精炼最终产品或者本身就是一种能源。

我们还期望用于制备合成气的催化剂很快将能取得重大改进。特别是，牛津大学的研究人员正在研究金属碳化物，我在加拿大矿物和能源技术中心的同事正在研究大孔隙沸石。这两种材料对于降低在合成气生产过程中所产生的炭黑显示出很大的潜力。生产过程中产生的炭黑不仅会堵塞反应器，而且随着时间的推移会降低催化剂的活性。

比石油便宜?

虽然将天然气转化为液体燃料的这种强力法日新月异地得到改进，已经初现雏形的更具有创造性的技术将要让天然气转化为液体燃料的任务在一步之内实现。这种方法能把转化成本降低一半，这样将使用天然气生产的液体燃料的价格实际上会比从原油精炼的类似产品便宜。

为了实现这种“直接”转化的早期努力采用的是不同的催化剂以及增加大量的氧气，但所产生的结果令人失望。所生成的烃类的反应活性比原料甲烷的反应活性更大。它们基本上烧掉得比生成得还快。除非设法把烃类产品从反应区除掉，否则产率就太低了，无法付诸实用。

幸运的是，研究人员最近已经找到避开这一问题的方法。其办法是利用特种催化剂让反应在较低的温度下进行，或利用化学方法增加反应产物的稳定性，或者两方面兼而有之。例如，宾夕法尼亚州立大学的化学家已经利用一种所谓的均匀催化剂(homogeneous catalyst，这是一种液态催化剂，它能与反应物料完全混合，韭让反应温度保持在100℃之下)把甲烷直接转化为甲醇。加利福尼亚州芒廷维尤市的Catalytica公司利用类似的方案已经把直接转化的产率提高到70%。该方案的流态催化剂会产生一种比较稳定的化学中间体——甲基酯，该甲基酯受到保护，不会被氧化。最终产品(一种甲醇衍生物)只需再加一步后继过程就很容易制取。甲醇(又称为木精)因为很容易转化成汽油或一种提高辛烷值的添加剂而具有很高价值。在不久的将来，甲醇或者直接使用，或者首先转化成氢气，也能够大规模地用于发动燃料电池车辆。因此，可以认为甲醇是一种储存和输送能量的方便的形式。

此外，用于合成甲醇的那些反应能够很容易地调节到生成诸如二甲基醚之类的柴油代用品的路线，而这些柴油代用品在燃烧时所产生的有害污染物要比柴油少得多。迄今为止，二甲基醚像丙烷一样很少用作运输车辆的燃料，因为它在常温常压下是一种气体。但是，位于宾夕法尼亚州阿伦敦市的一家工业用气体供应公司Air Products公司最近宣布已生产出一种二甲基醚衍生物，该产品在环境条件下是一种液体。因此，这种传统柴油的替代品可以在车辆和燃料加油站不作重大改变的情况下减少污染排放。

现在用天然气煮饭

科学家和工程师正谋求用其他许多种可能的方法来改进将天然气转化为液体。例如，开发工艺技术的人一直在改进发生Fischer-Tropsch反应的反应器，以进一步控制热量和物料的混合。

正在实施的最为雄心勃勃的项目是试图模拟在氧气存在的情况下消耗甲烷而产生甲醇的特化细菌所进行的化学反应。这种类型的低温生物学反应非常有吸引力，因为它们只需要较少的能量就能生产出特定化学品。

无论这种大胆的研究方案最终能否取得成功，十分显然的是，即使在今天，天然气转化为液体燃料的成本也只会比原油的价格每桶高出大约10%。在技术上略加改进，再加上从天然气能制取一些特种化学品所获得的经济效益上的提高，将在今后几年中拓宽对这种极为丰富的商品的利用路子。这一发展也能提供大为干净的燃料——这些干净的燃料能够很容易地与从较重的原油中所提炼的较脏的产品相混和，来满足日益严格的环境标准的要求。因此，随着人们逐渐认识到天然气除了用于厨房炉灶之外还能大有作为，天然气为社会所带来的利益还能成倍增大。