化學(xué)化工界30多年的努力終于變成現(xiàn)實(shí)—儲(chǔ)量豐富、價(jià)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(guó)Siluria技術(shù)公司(以下簡(jiǎn)稱Siluria公司)為其在得克薩斯州的試驗(yàn)工廠舉行盛大開車儀式，成為世界上第一家實(shí)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(gè)國(guó)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(guó)在內(nèi)的大部分國(guó)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(guó)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(zhǎng)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(jì)價(jià)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(jí)難題，被譽(yù)為整個(gè)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(gè)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(jì)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(jì)使反應(yīng)器的給料既可以是天然氣也可能是乙烷，同時(shí)最大化地節(jié)約了能源。
對(duì)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(jiǎn)稱新路線)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在五個(gè)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(jì)價(jià)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(jì)價(jià)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(duì)于天然氣資源豐富國(guó)家，具有重要戰(zhàn)略價(jià)值。
除了對(duì)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(shí)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(fèi)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(fèi)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(guó)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(yàn)工廠合作進(jìn)行該技術(shù)最后的放大和驗(yàn)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(gè)一攬子方案的使用許可，用于改造或擴(kuò)建現(xiàn)有的乙烯工廠，或新建世界級(jí)的乙烯工廠，授權(quán)工作預(yù)計(jì)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(jì)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(shí)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(chǎng)。
不只在海外，新路線也同樣引起了美國(guó)政府的注意。2014年3月，Siluria公司CEO受邀參加高級(jí)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(guó)能源部部長(zhǎng)等官員討論美國(guó)未來能源政策問題。
美國(guó)政府已經(jīng)意識(shí)到新路線可能對(duì)其能源和制造業(yè)的戰(zhàn)略價(jià)值，并正在考慮制定有關(guān)促進(jìn)就業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的政策。
經(jīng)驗(yàn)借鑒
我國(guó)乙烯原料以石腦油為主，約占原料總量的65%。
之前，隨著國(guó)際原油價(jià)格的大幅上漲和國(guó)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(jì)2015年，我國(guó)乙烯缺口將高達(dá)1370萬噸。
不僅如此，我國(guó)存在乙烯生產(chǎn)成本高、競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)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(guó)生產(chǎn)乙烯的成本在900美元/噸以上。
因此，我國(guó)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(guó)已經(jīng)打下良好的研究基礎(chǔ)，中國(guó)科學(xué)院和高校等研究機(jī)構(gòu)均部署有雄厚的研究力量。
因此，建議我國(guó)借鑒“十二五”規(guī)劃甲醇制烯烴發(fā)展的成功經(jīng)驗(yàn)，將天然氣直接制乙烯研究列入國(guó)家“十三五”有關(guān)發(fā)展規(guī)劃中。組織研究機(jī)構(gòu)與石化企業(yè)開展研發(fā)合作，推動(dòng)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(qiáng)我國(guó)乙烯行業(yè)及下游產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。
