科学智库--甲烷催化转化制乙烯国际发展态势分析

甲烷催化转化制乙烯国际发展态势分析

出版日期：2015-06 ISBN：978-7-03-044422-6 丛书：国际科学技术前沿报告中图法分类：N1

内容提要

作为基础工业原料，乙烯在石化工业中占有重要的地位，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。我国乙烯产量位居世界前列，但还不能满足我国经济保持平稳较快发展的需求，缺口仍相对较大。我国乙烯原料以石脑油为主，相比于中东和北美地区以乙烷为原料，我国存在乙烯生产成本高、竞争力不强的问题，亟须推进石油替代战略，实现烯烃原料来源多元化。

我国煤炭资源丰富，因此积极发展了煤经甲醇制烯烃技术。2010年，我国利用中国科学院大连化学物理研究所（简称大连化物所）开发的甲醇制取低碳烯烃技术建设完成了世界首套甲醇制烯烃工业化装置——神华包头煤制烯烃国家示范项目，装置规模为每年180万吨甲醇生产60万吨烯烃。

我国也是天然气资源相对丰富的国家，截至2013年年底，探明储量3.3万亿立方米，列世界第13位。同时，我国积极进口天然气，2014年与俄罗斯签订了为期30年的供输合同。2013年天然气在我国能源消费结构中占比达到5.1%，提高这一比例是我国能源战略的目标之一。

利用天然气（主要成分为甲烷）制取乙烯的方法可分为直接法和间接法。其中，直接法的经济价值最大，但也最难实现。因为甲烷的选择活化和定向转化是一个世界性难题，被誉为是催化乃至化学领域的“圣杯”。1982年，美国联碳公司的Keller和Bhasin报道了开创性的甲烷氧化偶联直接制乙烯研究工作。此后虽经20余年的努力，但由于氧化偶联过程中生成的产物乙烷和乙烯（总称C2）比原料甲烷更容易被深度氧化，限制了C2选择性和单程收率的提高，氧化偶联法始终没能实现工业化。直到2010年，美国Siluria技术公司宣布开发出一种新的催化剂，可在低于常规蒸汽裂解所需的操作温度下，高效催化甲烷氧化偶联反应。2014年，Siluria技术公司在美国得克萨斯州建设了一套该技术的工业示范装置，设计乙烯产能为0.8吨/天，并计划在2015年上半年开始建设3.4万～6.8万吨/年的工业化装置。

本报告通过论文和专利分析发现甲烷氧化偶联制乙烯研究可分为三个阶段：①从1982年到20世纪90年代中期是快速发展时期；②从20世纪90年代中期到2005年左右是衰退期；③从2005年左右至今是复兴期。通过论文分析，本报告发现德国于2007年组建了“联合催化”精英研究集群，将甲烷催化制乙烯列为研究重点之一，有力地推动了德国大学和研究所在该领域的研究。以德国柏林工业大学为核心的研究集群重点研究填充床膜反应器装载Mn-Na₂WO₄/SiO₂催化剂用于甲烷氧化偶联反应。通过专利分析，本报告发现美国Siluria技术公司是近期该研究领域专利申请最积极的企业，其拥有的10项专利优先权年全部在2010年以后，并且积极向海外布局，10项专利中有9项向世界知识产权组织申请了保护。Siluria技术公司还拥有乙烯制燃料油技术，已经形成甲烷—乙烯—燃料油的天然气制汽柴油的技术路线。我国在甲烷氧化偶联制乙烯领域的主要研究机构有中国科学院和厦门大学等。中国科学院兰州化学物理研究所（简称兰州化物所）研制的催化剂具有国际先进水平。

甲烷直接催化转化制乙烯通常都是在有氧条件下进行的，大连化物所包信和院士团队成功开发了甲烷无氧催化转化制乙烯技术，创造性地构建了硅化物晶格限域的单铁中心催化剂，甲烷的单程转化率高达48.1%，乙烯的选择性为48.4%，已经申请了国际专利。