化學(xué)化工界30多年的努力終于變成現(xiàn)實—儲量豐富、價格低廉的天然氣可直接轉(zhuǎn)化為世界上最大宗的化工基礎(chǔ)原料乙烯。
近日，美國Siluria技術(shù)公司(以下簡稱Siluria公司)為其在得克薩斯州的試驗工廠舉行盛大開車儀式，成為世界上第一家實現(xiàn)將天然氣直接工業(yè)化大規(guī)模轉(zhuǎn)化為乙烯的企業(yè)。新路線或?qū)⒔o傳統(tǒng)以石油為原料的乙烯行業(yè)帶來重大變革。
化學(xué)界的“圣杯”
作為基礎(chǔ)工業(yè)原料，乙烯在石化工業(yè)中占有重要地位，乙烯產(chǎn)量是衡量一個國家石油化工發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。
除北美和中東，世界上包括我國在內(nèi)的大部分國家和地區(qū)以石腦油為原料，采用蒸汽裂解法制乙烯。該方法不僅耗能高、排放溫室氣體多、成本高，而且由于原料來自于石油，還需要擠占寶貴的石油資源。
為減少石油依賴，各國開展以主要成分為甲烷的天然氣制烯烴的研究。天然氣制乙烯的路線分直接法和間接法兩種。相比間接法冗長煩瑣的過程，直接法只需一步即可將甲烷轉(zhuǎn)化成乙烯，具有很高的經(jīng)濟價值，非常具有吸引力。
但由于甲烷的選擇活化和定向轉(zhuǎn)化是世界級難題，被譽為整個化學(xué)界的“圣杯”，因而從上世紀(jì)80年代至本世紀(jì)初，學(xué)界始終沒能開發(fā)出工業(yè)可行的甲烷直接制乙烯工藝。
突破的關(guān)鍵在催化劑。2010年，Siluria公司創(chuàng)造性地使用生物模板精確合成納米線催化劑，使用高通量技術(shù)從大量備選催化劑中篩選出最合適的元素組成，開發(fā)出工業(yè)可行的甲烷直接制成乙烯催化劑。
該催化劑可在低于傳統(tǒng)蒸汽裂解法操作溫度200℃～300℃的情況下，在5～10個大氣壓下，高效催化甲烷轉(zhuǎn)化成乙烯，活性是傳統(tǒng)催化劑的100倍以上。
Siluria公司設(shè)計的反應(yīng)器分為兩部分，一部分用于將甲烷轉(zhuǎn)化成乙烯和乙烷，另一部分用于將副產(chǎn)物乙烷裂解成乙烯，裂解反應(yīng)所需的熱量來自甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)放出的熱量。這種設(shè)計使反應(yīng)器的給料既可以是天然氣也可能是乙烷，同時最大化地節(jié)約了能源。
對石油替代戰(zhàn)略的推進(jìn)
Siluria公司開發(fā)的天然氣直接制乙烯工藝(以下簡稱新路線)的技術(shù)優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在五個方面：與傳統(tǒng)的石腦油裂解制乙烯相比，成本低、溫室氣體排放少、節(jié)能、經(jīng)濟價值高;乙烯可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為液體燃料，進(jìn)一步提高了整條路線的經(jīng)濟價值;原料要求不苛刻，甲烷可來自天然氣也可來自生物質(zhì)，氧源可以是純氧也可以是富氧空氣、壓縮空氣等;能利用已有的乙烯生產(chǎn)裝置和回收設(shè)備，改造成本低;對于天然氣資源豐富國家，具有重要戰(zhàn)略價值。
除了對烯烴工業(yè)的影響，新路線還將影響包括汽油、柴油和航空燃油在內(nèi)的液體燃料生產(chǎn)。Siluria公司同時開發(fā)了乙烯制液體燃料技術(shù)，這意味著多了一條從天然氣出發(fā)制液體燃料的路線，與目前基于費托合成法的路線相比，Siluria公司的這條路線不需要經(jīng)過高耗能的費托合成，僅投資成本便可節(jié)省25%～30%。
無論是乙烯還是液體燃料，傳統(tǒng)上都是以石油為原料生產(chǎn)，新路線可節(jié)省寶貴的石油資源，并推進(jìn)石油替代戰(zhàn)略。
2014年6月，全球最大的氣體和工程集團(tuán)德國林德集團(tuán)與Siluria公司達(dá)成合作協(xié)議，雙方將在得克薩斯州的試驗工廠合作進(jìn)行該技術(shù)最后的放大和驗證過程。根據(jù)協(xié)議，雙方將把各自的技術(shù)和專業(yè)方案優(yōu)化整合成一攬子方案，林德集團(tuán)將負(fù)責(zé)向石化行業(yè)授權(quán)這個一攬子方案的使用許可，用于改造或擴建現(xiàn)有的乙烯工廠，或新建世界級的乙烯工廠，授權(quán)工作預(yù)計將從2015年下半年開始。
2014年8月，世界領(lǐng)先的一體化能源化工企業(yè)—沙特阿美石油公司投資Siluria公司，并計劃在沙特阿拉伯率先部署新路線。
此前，由于中東地區(qū)的乙烷產(chǎn)量不足以支撐新的乙烯工廠，因此新建企業(yè)被迫轉(zhuǎn)向高成本的石腦油原料。
而Siluria公司新路線如及時雨般的出現(xiàn)，迅速吸引了中東石化企業(yè)的目光，成為其潛在市場。
不只在海外，新路線也同樣引起了美國政府的注意。2014年3月，Siluria公司CEO受邀參加高級別的“2020能源政策論壇”并發(fā)表演講，是受邀企業(yè)中唯一一家天然氣行業(yè)公司。隨后，Siluria公司高管受邀赴白宮與美國能源部部長等官員討論美國未來能源政策問題。
美國政府已經(jīng)意識到新路線可能對其能源和制造業(yè)的戰(zhàn)略價值，并正在考慮制定有關(guān)促進(jìn)就業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展的政策。
經(jīng)驗借鑒
我國乙烯原料以石腦油為主，約占原料總量的65%。
之前，隨著國際原油價格的大幅上漲和國內(nèi)供求矛盾加劇，烯烴原料供應(yīng)緊張，制約了乙烯行業(yè)發(fā)展。預(yù)計2015年，我國乙烯缺口將高達(dá)1370萬噸。
不僅如此，我國存在乙烯生產(chǎn)成本高、競爭力不強的問題。2013年中東地區(qū)乙烯的生產(chǎn)成本僅為100美元/噸，北美的乙烯生產(chǎn)成本基本維持在300美元/噸左右，而我國生產(chǎn)乙烯的成本在900美元/噸以上。
因此，我國有必要開拓新的乙烯生產(chǎn)路線。在天然氣直接制乙烯研究領(lǐng)域，我國已經(jīng)打下良好的研究基礎(chǔ)，中國科學(xué)院和高校等研究機構(gòu)均部署有雄厚的研究力量。
因此，建議我國借鑒“十二五”規(guī)劃甲醇制烯烴發(fā)展的成功經(jīng)驗，將天然氣直接制乙烯研究列入國家“十三五”有關(guān)發(fā)展規(guī)劃中。組織研究機構(gòu)與石化企業(yè)開展研發(fā)合作，推動基礎(chǔ)研究成果盡快轉(zhuǎn)化為工業(yè)化生產(chǎn)，破解乙烯行業(yè)當(dāng)前的原料來源瓶頸，并降低生產(chǎn)成本，增強我國乙烯行業(yè)及下游產(chǎn)業(yè)的競爭力。
