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貝吉烏斯法
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貝吉烏斯法（德語：Bergius-Pier-Verfahren）又譯為伯吉阿斯法，是德國化學家弗里德里希·貝吉烏斯在20世紀初發明的一種使用氫化將煤液化以製造人造石油的重工業方法。1931年，貝吉烏斯以在高壓化學上的貢獻而獲得諾貝爾化學獎[1]。同時獲獎的還有卡爾·博施，獲獎的理由是兩人「為高壓化學反應做出的發現和貢獻」。
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這個方法使用氫在高溫高壓下把煤里的高分子分解成小分子。最初貝吉烏斯法的原材料是褐煤，使用煤氣化可以從中獲得氫化的氫和液化成品中的碳結構。後來煙煤、焦油等也被用作原材料。
貝吉烏斯法的產品是氣態和液態的烴，它們一般被用作燃料和潤滑劑。1910年到1925年間德國化學家弗里德里希·貝吉烏斯研製出這個技術的基礎。1925年在馬蒂亞斯·皮爾的領導下巴斯夫研製出貝吉烏斯法的工業化過程以及它所需要的催化劑。
1927年法本公司在洛伊納建造了第一座使用貝吉烏斯法的設施。從1930年代中期開始德意志國加強封閉經濟，下令建造更多的氫化設施以及擴建已有設施。第二次世界大戰期間德意志國防軍大部分燃料是使用貝吉烏斯法生產的。
戰後廉價的石油產品取代了煤產品，氫化設施停止運行。1970年代能源危機期間石油緊缺再次促使對貝吉烏斯法的興趣。不過在西方世界這個方法沒有再被大規模實現過。2003年在盛產煤的中國內蒙古建造了一座氫化廠為中國市場生產燃料。
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歷史
1869年法國人馬塞蘭·貝特洛首次實驗由煤獲得液態碳氫化合物。他讓飽和的碘化氫在攝氏270度下與煤反應[2]。在這個溫度下碘化氫分解成其組成的元素，為煤液化提供氫。反應結構中產生液態的碳氫化合物，但是總的來說這個試驗沒有任何技術意義。雖然如此貝特洛的試驗開創了對煤液化的研究。1900年保羅·薩巴捷發明了催化煤液化的新方法，1912年他為此獲得諾貝爾化學獎。鎳和鐵能夠催化有機物的液化以及弗拉基米爾·伊帕季耶夫關於高壓液化的研究都為貝吉烏斯的研究奠定基礎[3]。
假如能夠通過廉價的還原過程把固體的燃料變成液態的燃料該多好啊！
——赫爾曼·埃米爾·費歇爾[4]
1912年研究所設立時諾貝爾獎獲得者赫爾曼·埃米爾·費歇爾用這些詞語道出他的希望，又朝一日能夠找到一個「取熱工業的此本問題」，尤其因為德國缺乏液態的燃料。最後弗里德里希·貝吉烏斯發明了費歇爾想要獲得的反應過程，並把它投入化學工業生產[5]。
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貝吉烏斯在王家漢諾威技術高校教授理論和應用物理化學，他通過研究成煤過程的論文獲得教授職權，早在1910年他就使用人工煤做過液化試驗[6]。在攝氏400到450度，氫的壓力為150巴的狀況下他能夠從一開始就重複獲得氣態和液態的碳氫化合物，收率達80%[6]。1913年獲得他發明的專利[7]。
從試驗室到大型工業設施的過程比本來預想的要困難， 而且需要巨大投資。通過關係貝吉烏斯獲得埃森一座化工廠的贊助，並加入其領導管理層。第一次世界大戰後由於缺乏資金研究響應的催化劑雙方的合作結束[6]。
汽車的普及，以及輪船和火車也越來越多使用液態燃料，使得通過煤液化來獲得燃料和潤滑劑在一些人眼中成為可行的盈利技術[8]。1926年美國聯邦石油保護委員會的討論也顯示出當時有石油儲存會幹枯的焦慮[9]。相對於石油大量的褐煤和煙煤儲存似乎可以滿足今後數百年的燃料需要[10]。
哈柏法、甲醇製造法和異丁醇合成等工業方法使得高壓化學在技術和經濟上都獲得了成功，因此卡爾·博施開始在巴斯夫研究褐煤的高壓液化[11]。1925年7月巴斯夫收購了貝吉烏斯在德國的部分專利，一年後從荷蘭皇家殼牌買下了國際專利[12]。巴斯夫讓瓦爾特·能斯特的學生馬蒂亞斯·皮爾開發煤液化的工業過程。皮爾在此前已經開發了甲醇的高壓製造法。他使用氨和甲醇製造法的設施試驗使用帶硫的催化劑如二硫化鉬或硫化鐵來液化褐煤。後來出任帝國經濟開發局的卡爾·克勞希資助皮爾的研究。貝吉烏斯法是在一個懸濁液中的反應，相對於純氣態反應困難更加大，需要相當大的投資解決技術問題。由於催化劑中毒的濃度非常高，而且原來的成分也不均勻，因此在生產過程中需要非常高的穩定性和催化劑的專一性。其它技術上的困難包括氫和硫化氫對設施的腐蝕、把剩餘煤、灰和催化劑從液態產品中分離出來[13]。
卡爾·博施認識到要把這個技術發展到化工業的程度需要大量資本和大幅度的經濟支持，這導致1925年法本公司的成立[14]。由於洛伊納離中德褐煤礦區很近，加上當地已經有高壓技術的經驗，因此博施1927年選擇那裡作為生產地點。在5年內巴斯夫克服了技術困難， 把年產燃料量推到約10萬噸。
與使用費托合成間接煤液化的產品相比使用貝吉烏斯法生產的人造汽油的辛烷值比較高。
1925年5月16日在一次由德國國防部組織的秘密會議上德國國防部長奧托·格斯勒的代表對中德褐煤企業代表強調了在德國中部建造貝吉烏斯法大型設施「特別的重要性」[15]。
到1931年法本公司對貝吉烏斯法投資4.26億國家馬克，這是巴斯夫在法本公司資金周轉量的兩倍多[16]。新澤西標準石油當時購買了在全球出售這個生產方法的拍照[17]。1931年帝國化學工業、貝克公司、標準石油和法本公司一起組成了國際液化專利公司來分享和集中人造汽油製造的資源和知識，同時也以此來限制研究發現的發表[18]。
但是這個方法的經濟問題甚至大於技術問題。使用煤液化製造的汽油比從原油里提煉的汽油貴。有一段時間從原油提煉的汽油的價格甚至比煤的價格還要低[13]。而且對石油儲藏量的悲觀估計也被證明是錯誤的。大蕭條更加加劇了法本公司的虧損，即使標準石油的專利購買也無法彌補這個虧損[17]。
褐煤，
褐煤焦油，
煙煤，
其它1933年法本公司的代表與納粹頭目接觸，希望獲得對貝吉烏斯法的政治支持。帝國財政部因此向人造汽油的競爭產品徵收保護稅來保持人工汽油的競爭能力。1933年12月納粹黨財政政治發言人戈特弗里德·費德爾與卡爾·博施簽署協議，法本公司答應以定價向政府提供人造汽油[19]。
1936年希特勒下令在四年計劃中把人造汽油的生產量提高到最高程度[20]。在這個計劃中褐煤-汽油公司的地位尤其顯著：它要在馬格德堡、伯倫、施瓦茨海德和蔡茨建造四座新的煤液化廠。這樣一來在整個德意志帝國境內會建造9座以費托合成為原理的魯爾化學廠和12座以貝吉烏斯法為原理的法本公司廠。
最大的廠位於珀利茨、洛伊納和科堡附近諾伊施塔特，年產量為60萬噸[6][21]。12座貝吉烏斯法廠計劃的總產量為每年386.6萬噸，9座費托合成廠的總產量計劃為64.7萬噸。實際上所有廠計劃中的年生產量一直到1943年/1944年才達到[22]。
戰後不同作者提到從1443年到1944年5月初生產的人造航空汽油，只是貝吉烏斯法和費托合成共同生產的產量450萬噸的一部分。雖然從1942年開始法本公司生產的大多數產品是航空汽油，但是也有汽車汽油、柴油、取熱油、潤滑油和其它產品。費托合成在這段時間裡沒有生產航空汽油或取熱油，因此使用它生產的產量比貝吉烏斯法低。兩種方法均能生產車用汽油和柴油，不過它們產品的辛烷值和十六烷值不同。1943年所有21座液化廠總共生產了300萬噸汽油（包括車用和航空汽油）、77噸潤滑油和43噸柴油[24][25]。
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雖然燃料和潤滑油供給是德國戰爭機器最薄弱的環節一直到1944年盟軍才直接襲擊液化廠[26]。潮浪行動中盟軍空襲普洛耶什蒂，成功地摧毀了那裡的煉油廠和原油儲存後盟軍空軍把德國的液化廠設定為戰略攻擊目標。1944年5月12日美國陸軍航空軍出動935架轟炸機對洛伊納、伯倫、蔡茨、薩勒縣和莫斯特的液化廠進行空襲。這次空襲導致的破壞使得這5座液化廠暫時停工[27]。
至1944年5月29日盟軍轟炸機隊對所有在德國勢力範圍內的27座煉油和液化設施進行大型攻擊。所有廠都遭到巨大破壞，大部分完全被毀。德國燃料供給面臨完全崩潰的狀態。1944年5月30日阿多夫·希特勒親自下令「立刻採取措施使得液化廠重新工作並獲得保護」[28]。在極短時間內德國試圖重建液化廠，並使用大量高射炮把它們變成「液化堡壘」[29]。
在盟軍不斷的轟炸中重新啟工僅僅能夠短時間達到。從1944年9月開始所有德國液化廠月總產量不到1.1萬噸汽油[30]。戰備和軍火部長阿爾貝特·施佩爾試圖使用數千專揀、戰俘和強迫勞動把液化廠轉移到地下，但是沒有任何成果。到戰爭結束液化廠未能轉移到地下[31]。德國液化廠的摧毀降低了德國軍隊的機動性，加速了德國的戰敗[26]。
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至少在開始的時候其它國家，尤其英美，也大力開發把煤轉化為液態燃料和潤滑劑的技術。主要原因是1925年美國學者發表了一份在全球影響非常大的論文，認為全球的原油儲量會在7年內全部耗盡，而與此同時汽車的數量不斷增長。一年後美國國會設立委員會尋找可以取代原油的方法[32][33]。
類似德國的法本公司在英國帝國化學工業和在美國杜邦獲得國家經濟和政治重要性。1927年美國與法本公司合作在巴吞魯日和貝敦建造了兩座液化設施。1935年當時世界上最大的煙煤液化廠在英國東北比林漢姆啟用。在廠的開幕式上英國首相拉姆齊·麥克唐納說液化廠的建造「至關國家安危」[34]。英國政府從1931年開始計劃這個廠，根據英國的文獻這個廠就是為了戰備計劃和建造的，目的是在被海上封鎖的話可以使用本地的資源煉油[35]。廠的技術是法本公司提供的，雙方於1932年2月簽署了一份工程師協議[36][37]。
英國政府資助設備的建造，到1939年10月為止也資助獲得的燃料[38][39][40]。比林漢姆的產量為每年15萬噸，一直到1963年它才停產[41]。
1936年5月11日義大利經濟財政部發布法令對把義大利的煤液化成人造產品的企業免10年所得稅、增值稅和股本稅[42]。同年義大利在巴里和里窩那開始建造貝吉烏斯法液化設施。兩座設施均於1938年投入生產，一開始的年產量為18萬噸，它們與既有的煉油廠一起為義大利提供油產品[43][44]。此後這兩座設施不斷擴建，從1940年開始它們年產量為45萬噸[45]。
這兩座液化廠的公司是一個由多個義大利石化公司（包括埃尼的前身）組成的聯盟。從1944年5月19日到6月7日英國和美國日夜重力空襲里窩那把城市的市中心和周邊的工業區全部摧毀。義大利北部被占領後盟軍軍政府下令拆除液化廠的剩餘[46]。從1947年開始又有重建這個設施的計劃，但是最後還是決定建造煉油廠而被放棄[47]。巴里的液化廠則一直工作到1974年，一直到1976年才徹底關閉[48][49]。
1942年西班牙創辦了國家企業西班牙國家石油公司，1944年與德國達成協議使用法本公司的方法在普埃爾托利亞諾建造一座液化廠。1950年西班牙政府與巴斯夫簽署新合同。從1956年到1966年改廠生產人造汽油。此後它轉向其它產品，這些產品至今仍在西班牙國家石油公司不同的廠中被液化[50]。
1944年4月5日美國政府在美國礦務局主導下發布了「人造液態燃料計劃」的法令，並批准在此後5年中向這個計劃花費5000萬美元。計劃的目的是「建造和運行使用煤、頁岩、農林業產品和其它物質的液化設施來支持戰爭以及提高和保存國家原油資源」[51][52]。
1945年和1951年在匹茲堡附近以及在密蘇里州路易斯安那建造了兩座特殊研究設施。1949年路易斯安那的廠每天使用貝吉烏斯法生產200桶油[53]。1953年共和黨政府停止了這個項目。但是美國陸軍部繼續使用路易斯安那的設施。此後在美國KBR公司以及在南非薩索爾繼續研究煤液化，其中大多數這些研究是繼續開發貝吉烏斯法[54]。
1970年代能源危機使得美國政府1973年重新開始人造設施的研究和開發。1979年第二次石油危機後美國國會通過了《能源安全法》成立人工燃料公司，並批准8800萬美元資助人工燃料項目。這個完全由美國政府投資的公司的目的在於研究和建造商業液化設施。除貝吉烏斯法外費托合成也是研究重點。石油大量入市後1985年里根政府解散人工燃料公司。至此為止在美國生產人造燃料一共花費了80億美元公費[55][56]。
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參考來源
Wikiwand - on
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