乙烯是化工产业的原料基础,是决定了一个化工工业水平的关键指标,乙烯工业的发展,决定了化工产业的发展速度,对化工整体发展具有十分重要的作用。在中国炼油总体规模发展受限的前提下,不同路线的乙烯生产工艺,是目前顺应乙烯规模增速放缓,以及解决中国原料低碳化的关键方式。
在中国范围内,乙烯主要来源方式,其一是蒸汽裂解的方式,约占到乙烯来源的70%以上,是中国乙烯主要的来源方式;其次是煤制/甲醇制,主要通过合成气的方式制备烯烃,约占到总乙烯来源的20%以上。第三是其他轻烃脱氢或裂解的方式,如乙烷裂解生产乙烯,约占到乙烯来源的6%以上。
虽然目前中国乙烯生产方式多样,但是生产过程中都需要经过多个步骤和环节,如蒸汽裂解方式需要通过石脑油中间的过程,并且需要存在高温裂解的过程。而煤制和甲醇制的过程,中间需要经过合成气的生产。在这样的前体下,就导致乙烯生产成本居高不下,且生产过程中存在大量的损耗。
就在2022年初,中国科学院过程工程研究所刘姣、沈阳化工大学许光文等人,在Carbon Resources Conversion期刊上发表题为“From fundamentals to chemical engineering on oxidative coupling of methane for ethylene production: A review”的文章,该工作对近年来多相催化甲烷氧化偶联制乙烯的研究进行了总结与讨论,并在此基础上对甲烷氧化偶联催化剂和技术的发展做出了展望。
甲烷氧化偶联生产工艺简称为OCM,其原理是在催化剂作用下,氧气吸附于催化剂表面形成活性氧物种,活化甲烷产生甲基自由基,其气相耦合形成乙烷,乙烷脱氢生成乙烯的过程。氧化偶联工艺是制备乙烯的新工艺,也是减少乙烯生产过程中的碳排放的关键工艺技术。
该工艺在1982 年,Keller 等提出的甲烷氧化偶联制乙烯(OCM)技术引起广泛关注。截至目前,全球暂无甲烷氧化偶联制备乙烯的工业化装置,全部在于对催化剂的研究。
目前OCM的催化剂集中在碱金属与碱土金属氧化物,稀土金属氧化物和过渡金属复合氧化物。目前中国科学院过程工程研究所、沈阳化工大学、中石化上海工程有限公司、中石化炼化工程(集团)股份有限公司、天津大学化工学院、中石化北京化工研究院等,都在其生产工艺中取得一定的成果。
可以看到,就在中国华南地区,某企业正在筹划全国第一套甲烷氧化偶联制乙烯的工业化装置,计划采用国产技术,利用当地低廉的天然气价格,制备乙烯及下游产品。目前该项目正在筹划阶段,如果进展顺利,初步预期在2025年前后投产,这也成为了中国甲烷氧化偶联制乙烯的工业化装置进度最快的项目,对于中国乙烯工业的多样化发展具有十分重要的意义。
最后我认为,中国炼油工业规模总体发展限制前提下,不同原料结构的烯烃生产技术,将会成为中国化工产业发展的关键,也将催生技术的进步和提升。但是,由于中国不平衡的能源结构,石油和天然气资源的匮乏,将会在根本上限制其化工产业链的延伸。所以,利用煤为原料的精细化工发展,如煤制甲烷氧化偶联制乙烯的生产工艺,有望实现从根本上解决能源结构不平衡和烯烃生产方式多样化的问题,或将成为行业高度关注的方向。