-
-
手机阅读
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。
?
夺得化学界“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。
以天然气替代石油生产液体燃料和基础化学品，是学术界和产业界研究和发展的重点。由于具有四面体对称性的甲烷分子是自然界中最稳定的有机小分子。它的转化是一个世界性难题，被称为催化乃至化学领域的“圣杯”。过去，要让甲烷这种不爱交际的分子变得活跃起来，一般要用到氧分子做中间人，需要的能源消耗很高，排出大量二氧化碳影响生态环境。
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20世纪80年代至21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。
世界第一家甲烷直接生产乙烯装置开车
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。
2015年年中，美国Siluria技术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。
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。
新路线的推进
Siluria公司开发的天然气直接制乙烯工艺的技术优势，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%。
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，授权工作从2015年下半年开始。
“圣杯”攻克战的中国身影
迄今为此，天然气的转化利用通常采用传统二步法。甲烷转化路线冗长，投资和消耗高，尤为突出的问题是，由于采用了氧分子作为甲烷活化的助剂或介质，过程中不可避免地形成和排放大量温室气体二氧化碳，一方面影响生态环境，另一方面致使总碳的利用率大大降低，通常不会超过一半。
甲烷在催化作用下活化脱氢，获得表面吸附态的甲基物种，进一步从催化剂表面脱附形成高活性的甲基自由基，在气相中经自由基偶联反应生成乙烯和其它高碳芳烃分子，如苯和萘等。
在20多年甲烷催化转化研究的基础上，包信和院士领衔的团队基于“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。与天然气转化的传统路线相比，该技术彻底摒弃了高耗能的合成气制备过程，大大缩短了工艺路线，反应过程本身实现了二氧化碳的零排放，碳原子利用效率达到100％。
美国《科学》杂志2014年发表了中科院大连化学物理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。这一研究实现了甲烷高效生产乙烯、芳烃和氢气等化学品。与天然气转化的传统路线相比，新技术彻底摒弃了高耗能的合成气制备过程，大大缩短了工艺路线，反应过程本身实现了二氧化碳的零排放，碳原子利用效率达到100%。