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警告!这两个技术或将重创中国煤制烯烃!

文/唐宏青

乙烯作为重要的有机化工原料,是世界上庞大的有机化学工业的

基础。国外90%以上的乙烯来自石脑油和乙烷的裂解,国内则主要来

自于石脑油和甲醇的裂解。随着石油资源的日渐缺乏,急需寻找替代

的资源。就寻找新的原料来源而言,国内外有两条路线,即天然气中

的甲烷和煤。

我国煤资源十分丰富,价格也便宜,以煤制取甲醇,再经过甲醇

裂解得到烯烃,也是一条很好的途径,这是国内研究并且取得工业化

成功的一项重大成果,已经对中国的乙烯工业产生重大的影响。

不过,世界上天然气的蕴藏量也十分丰富,是仅次于石油和煤炭

的世界第三大能源,开采容易、价格便宜,其主要成分为甲烷。如果

能够从甲烷中制取乙烯,产品成本将会发生重大的变化,乙烯的成本

至少降低700~2200元/吨。若真如此,大量甲烷制烯烃的新装置将

在世界各地建立,许多石脑油裂解装置将会关闭,世界的化学工业将

发生划时代的变化。

甲烷偶联制乙烯有通过氧化偶联和非氧化偶联两种途径。它们的

相同点是两者都需要催化剂。甲烷偶联反应将甲烷制成乙烯,使天然

气尤其是偏远地区的天然气得以被更方便、更广泛地利用,因而具有

十分重要的意义。

研究表明,氧化偶联反应工艺的经济性除与原料气、乙烯价格有

关外,主要取决于甲烷转化率、碳二烃收率及碳二烃选择性。要真正

实现甲烷氧化偶联工艺的工业化,要求甲烷的单程转化率应该在35%

以上,碳二烃收率必须在30%以上,碳二烃的选择性在85%以上。

氧化偶联制乙烯的技术关键在于催化剂。经过多年来的研究,人

们已经筛选出了2000多种催化剂,申请了百篇专利。其中,碱金属—

碱土金属、稀土金属、过渡金属氧化物和具有特定结构的复合金属氧

化物等几大体系的催化剂最被看好。

氧化偶联技术起步于20世纪80年代。1982年,美国uinon

caribde化学公司首次公开发表了甲烷氧化偶联制乙烯的研究成果。这

个工艺非常简捷,反应一步就可以完成。

之后,氧化偶联制乙烯引起了世界各国、各大石油化学公司及研

究机构广泛关注,竞相加入其开发行列。多年来,多国对该工艺的核

心技术——催化剂的开发投入了大量的人力和物力,通过对偶联的反

应机理、催化剂、反应工艺以及工程开发等方面的不断探索,已获得

了较深入的认识,促使该工艺取得显著进展。但是由于转化率和收率

达不到预期效果,最终没有走向大规模工业化。

直到2010年,美国锡卢里亚公司(Siluria)取得了重大进展,并

公布了将天然气直接氧化偶联一步转化为乙烯工艺。这个报道震动全

世界。该公司在纳米微粒催化剂研究方面已取得积极成果,展现了纳

米粒子催化剂的优越性。

当时,美国麻省理工学院开发的生物模板制出新型的纳米线状催

化剂,使催化剂的活性提高了100多倍。该公司认为这种纳米级的催

化剂材料对天然气制取乙烯将会是一个巨大的创新。在反应中甲烷在

催化剂表面活化,形成甲基自由基,然后再气相偶合生成乙烷,脱氢

和氧化后形成乙烯和水。这个反应的条件比较温和,反应温度为

500~700摄氏度,较裂解反应温度低200~300摄氏度,反应压力

0.5~1.0兆帕。工艺流程中采用两个反应器,第一个反应器将甲烷氧

化偶联为乙烯和乙烷,第二个反应器将乙烷转化为乙烯。整个过程中,

甲烷转化率15%,乙烯选择性60%~70%(乙烯+乙烷,乙烷占60%~

70%),副产物为二氧化碳等。

不久前,锡卢里亚公司宣布,位于德克萨斯州拉波特市(LaPorte)

产能1吨/天的甲烷制乙烯示范装置成功运转,其投资1500万美元。

该示范工厂在2015年间至少通过了15次测试活动,迄今已持续运转

并得到了中试工厂数据。目前这个示范装置的成功运转证明了该技术

的可行性。该公司的下一阶段将建立一个商业化规模的甲烷制乙烯装

置,其规模约为7.5万吨/年至100万吨/年。

甲烷制取烯烃的另一条路线是非氧化偶联催化制取烯烃和芳烃。

天然气的主要成分为甲烷,活化甲烷的首个C-H键并避免其过度氧化

是这条工艺路线的关键。这条路线的实质是将铁活性中心单分散地掺

杂在二氧化硅无定形网格中,并在无氧条件下催化甲烷直接转化成乙

烯、芳烃和氢

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