天然气制乙烯：将改写全球化工产业格局

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“即将改变世界的新技术”--全球着名化工企业巴斯夫集团副总裁穆勒对中科院大连化学物理研究所的一项最新成果给予了高度评价。

2014年5月9日，美国《科学》杂志发表了该研究所包信和院士团队在甲烷高效转化相关研究中获重大的突破。该团队基于“纳米限域催化”的新概念，创造性地构建了硅化物晶格限域的单中心铁催化剂，成功地实现了甲烷在无氧条件下选择活化，一步高效生产乙烯、芳烃和氢气等高值化学品。这一成果 为天然气直接转化制乙烯和高值化学品提供了新途径。（摘自中国科技网）

据中国科学报报道：近日，美国Siluria技术公司(以下简称Siluria公司)为其在得克萨斯州的试验工厂举行盛大开车仪式，成为世界上第一家实现将天然气直接工业化大规模转化为乙烯的企业。新路线或将给传统以石油为原料的乙烯行业带来重大变革。 天然气(主要成分是甲烷)制乙烯的路线分直接法和间接法两种。相比间接法冗长繁琐的过程，直接法只需一步即可将甲烷转化成乙烯，具有很高的经济价值，非常具有吸引力。 化学化工界30多年的努力终于变成现实—储量丰富、价格低廉的天然气可直接转化为世界上最大宗的化工基础原料乙烯。 近日，美国Siluria技术公司（以下简称Siluria公司）为其在得克萨斯州的试验工厂举行盛大开车仪式，成为世界上第一家实现将天然气直接工业化大规模转化为乙烯的企业。新路线或将给传统以石油为原料的乙烯行业带来重大变革。 化学界的“圣杯” 作为基础工业原料，乙烯在石化工业中占有重要地位，乙烯产量是衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志之一。 除北美和中东，世界上包括我国在内的大部分国家和地区以石脑油为原料，采用蒸汽裂解法制乙烯。该方法不仅耗能高、排放温室气体多、成本高，而且由于原料来自于石油，还需要挤占宝贵的石油资源。 为减少石油依赖，各国开展以主要成分为甲烷的天然气制烯烃的研究。天然气制乙烯的路线分直接法和间接法两种。相比间接法冗长烦琐的过程，直接法只需一步即可将甲烷转化成乙烯，具有很高的经济价值，非常具有吸引力。 但由于甲烷的选择活化和定向转化是世界级难题，被誉为整个化学界的“圣杯”，因而从上世纪80年代至本世纪初，学界始终没能开发出工业可行的甲烷直接制乙烯工艺。 突破的关键在催化剂。2010年，Siluria公司创造性地使用生物模板精确合成纳米线催化剂，使用高通量技术从大量备选催化剂中筛选出最合适的元素组成，开发出工业可行的甲烷直接制成乙烯催化剂。 该催化剂可在低于传统蒸汽裂解法操作温度200℃～300℃的情况下，在5～10个大气压下，高效催化甲烷转化成乙烯，活性是传统催化剂的100倍以上。 Siluria公司设计的反应器分为两部分，一部分用于将甲烷转化成乙烯和乙烷，另一部分用于将副产物乙烷裂解成乙烯，裂解反应所需的热量来自甲烷转化反应放出的热量。这种设计使反应器的给料既可以是天然气也可能是乙烷，同时最大化地节约了能源。 对石油替代战略的推进 Siluria公司开发的天然气直接制乙烯工艺（以下简称新路线）的技术优势，主要体现在五个方面：与传统的石脑油裂解制乙烯相比，成本低、温室气体排放少、节能、经济价值高；乙烯可进一步转化为液体燃料，进一步提高了整条路线的经济价值；原料要求不苛刻，甲烷可来自天然气也可来自生物质，氧源可以是纯氧也可以是富氧空气、压缩空气等；能利用已有的乙烯生产装置和回收设备，改造成本低；对于天然气资源丰富国家，具有重要战略价值。 除了对烯烃工业的影响，新路线还将影响包括汽油、柴油和航空燃油在内的液体燃料生产。Siluria公司同时开发了乙烯制液体燃料技术，这意味着多了一条从天然气出发制液体燃料的路线，与目前基于费托合成法的路线相比，Siluria公司的这条路线不需要经过高耗能的费托合成，仅投资成本便可节省25%～30% 。 无论是乙烯还是液体燃料，传统上都是以石油为原料生产，新路线可节省宝贵的石油资源，并推进石油替代战略。 2014年6月，全球最大的气体和工程集团德国林德集团与Siluria公司达成合作协议，双方将在得克萨斯州的试验工厂合作进行该技术最后的放大和验证过程。根据协议，双方将把各自的技术和专业方案优化整合成一揽子方案，林德集团将负责向石化行业授权这个一揽子方案的使用许可，用于改造或扩建现有的乙烯工厂，或新建世界级的乙烯工厂，授权工作预计将从2015年下半年开始。 2014年8月，世界领先的一体化能源化工企业—沙特阿美石油公司投资Siluria公司，并计划在沙特阿拉伯率先部署新路线。 此前，由于中东地区的乙烷产量不足以支撑新的乙烯工厂，因此新建企业被迫转向高成本的石脑油原料。 而Siluria公司新路线如及时雨般的出现，迅速吸引了中东石化企业的目光，成为其潜在市场 。 不只在海外，新路线也同样引起了美国政府的注意。2014年3月，Siluria公司CEO受邀参加高级别的“2020能源政策论坛”并发表演讲，是受邀企业中唯一一家天然气行业公司。随后，Siluria公司高管受邀赴白宫与美国能源部部长等官员讨论美国未来能源政策问题。 美国政府已经意识到新路线可能对其能源和制造业的战略价值，并正在考虑制定有关促进就业和经济发展的政策。 经验借鉴 我国乙烯原料以石脑油为主，约占原料总量的65%。 之前，随着国际原油价格的大幅上涨和国内供求矛盾加剧，烯烃原料供应紧张，制约了乙烯行业发展。预计2015年，我国乙烯缺口将高达1370万吨。 不仅如此，我国存在乙烯生产成本高、竞争力不强的问题。2013年中东地区乙烯的生产成本仅为100美元/吨，北美的乙烯生产成本基本维持在300美元/吨左右，而我国生产乙烯的成本在900美元/吨以上。 因此，我国有必要开拓新的乙烯生产路线。在天然气直接制乙烯研究领域，我国已经打下良好的研究基础，中国科学院和高校等研究机构均部署有雄厚的研究力量。 因此，建议我国借鉴“十二五”规划甲醇制烯烃发展的成功经验，将天然气直接制乙烯研究列入国家“十三五”有关发展规划中。组织研究机构与石化企业开展研发合作，推动基础研究成果尽快转化为工业化生产，破解乙烯行业当前的原料来源瓶颈，并降低生产成本，增强我国乙烯行业及下游产业的竞争力。 (来源：中国科学报 作者：边文越 李泽霞 作者单位：中国科学院文献情报中心情报研究部)