我國突破天然氣製備乙烯瓶頸甲烷可高效轉化 被認為將改變世界

“即將改變世界的新技術”——全球著名化工企業巴斯夫集團副總裁穆勒對中科院大連化學物理研究所的一項最新成果給予了高度評價。5月9日，美國《科學》雜誌發表了該研究所包信和院士團隊在甲烷高效轉化相關研究中獲重大的突破。這一研究實現了甲烷高效生產乙烯、芳烴和氫氣等化學品。

乙烯、PX等石化產品是現代工業最重要的原材料之一，乙烯更是被視為一個國家工業發展水平的重要標誌。此前乙烯多由石油裂解獲得，而從甲烷製備乙烯的工藝路線，至今仍被視為化學領域的“聖盃”。據悉，中國目前乙烯產量居世界第二，但仍然遠遠落後於美國，而我國對聚乙烯等下游產品的需求量已經趕超美國，這對中國的能源安全提出了巨大挑戰。有了上述新技術，未來我國將可用儲量遠大於石油的天然氣、頁岩氣高效生產乙烯。

我國突破天然氣製備乙烯瓶頸，巴斯夫總裁稱之“即將改變世界的新技術”。

中國團隊攻克化學領域“聖盃”

目前，工業上所用的乙烯，主要是從石油煉製工廠和石油化工廠所生產的氣體裏分離出來的。隨着乙烯工業的發展，化工用油短缺的矛盾也將日益突出。而世界範圍內富含甲烷的頁岩氣、天然氣水合物、生物沼氣等的大規模發現與開採，以儲量相對豐富和價格低廉的天然氣替代石油生產液體燃料和基礎化學品成為了學術界和產業界研究和發展的重點。

使用石油來製造乙烯，原理是把含大量碳原子的有機化合物分解成只含兩個碳原子的乙烯（C2H4），只要在高温條件下，這一反應並不難實現。而使用只含一個碳的甲烷分子製造乙烯，就需要先用高能量將甲烷的 C-H鍵“激活”（活化），讓它們兩兩相連。

甲烷在催化作用下活化脱氫，獲得表面吸附態的甲基物種，進一步從催化劑表面脱附形成高活性的甲基自由基，在氣相中經自由基偶聯反應生成乙烯和其它高碳芳烴分子，如苯和萘等。

但由於具有四面體對稱性的甲烷分子是自然界中最穩定的有機小分子，它的選擇活化和定向轉化是一個世界性難題。

迄今為此，天然氣的轉化利用通常採用傳統二步法。甲烷轉化路線冗長，投資和消耗高，尤為突出的問題是，由於採用了氧分子作為甲烷活化的助劑或介質，過程中不可避免地形成和排放大量温室氣體二氧化碳，一方面影響生態環境，另一方面致使總碳的利用率大大降低，通常不會超過一半。

在20多年甲烷催化轉化研究的基礎上，包信和院士領銜的團隊基於“納米限域催化”的新概念，創造性地構建了硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑，成功實現了甲烷在無氧條件下選擇活化，一步高效生產乙烯、芳烴和氫氣等高值化學品。與天然氣轉化的傳統路線相比，該技術徹底摒棄了高耗能的合成氣製備過程，大大縮短了工藝路線，反應過程本身實現了二氧化碳的零排放，碳原子利用效率達到100％。

工藝改進助力乙烯產能升級

我國乙烯工業在過去10年實現了跨越式發展，但目前仍落後與美國，為全球第二大乙烯生產國。據國家統計局今年1月公佈的數據顯示，2013年全年，全國乙烯產量累計達1623萬噸，同比增長了8.5%。但仍然低於美國2012年2759.3萬噸的乙烯產量。

長期來看，中美乙烯產能也存在較大差距。近年大慶石化、撫順石化、四川彭州石化等一批大乙烯項目的建成投產，到2015年，我國乙烯總產能預計將達2500萬-2700萬噸/年。這一數字僅接近美國現在的乙烯產能水平，遠不及2017年美國乙烯預計產能3560萬噸/年。

事實上，美國乙烯產能有賴於頁岩氣革命給帶來的大量的廉價原料乙烷。2014年美國基於頁岩氣將擴產乙烯產能超過80萬噸，未來幾年計劃新建大批以頁岩氣為原料的乙烷裂解裝置。

根據美國能源信息署（EIA）2011年數據，中國頁岩氣儲量超過美國。

在中美乙烯產能對比的另一面，是國內乙烯供需矛盾。儘管我國乙烯產量逐年上升，但目前情況下仍需要進口。2005年，我國乙烯產量755.5萬噸，當量消費量1876萬噸，當量自給率僅40.3%。2010年乙烯產量達到1419萬噸，當量自給率也只有47.9%，2012年當量自給率降到了47.5%。

此外，2011年，中國對乙烯的下游產品聚乙烯（塑料的主要成分）需求量已達到1840萬噸，而美國僅為1180萬噸。

由此可見，乙烯生產工藝的改進對我國能源戰略具有重要和廣泛的意義。一方面，由於我國進口原油相當一部分用於裂解生產乙烯。在轉換乙烯生產工藝的情況下，有利於降低我國原油對外依存度和風險。另一方面，乙烯裂解是高耗能行業，改進乙烯生產工藝不失為節能減排的一條重要路徑。

專家評價：極具創新性和引領作用

加州大學伯克利分校Alexis Bell教授評價説，“該成果使甲烷直接轉化研究又向前邁出嶄新的一步，可能成為未來產業界關注的焦點”。

華東師範大學何鳴元院士評價該技術“是符合理想的高選擇性轉化，實現了原子經濟反應，而且催化劑穩定，可較長週期運行，無碳排放，極具創新性和引領作用”。

北京大學納米科學與技術研究中心主任、物理化學研究所所長劉忠範院士認為，甲烷無氧直接催化轉化新成果是包信和院士團隊在國際上率先提出的“納米限域催化”新理論的具體應用，為甲烷催化選擇轉化基礎研究提供了新的思路，為高效利用豐富的天然氣資源和在我國形成具有原創性知識產權的甲烷綠色轉化新技術奠定了理論基礎。

清華大學化學系物理化學研究所所長徐柏慶教授認為，這是繼大連化物所在上世紀九十年代初發現甲烷無氧催化活化後，在天然氣催化定向轉化研究方向上的一次劃時代性突破。毫無疑問，這些工作將會令國內外化學和能源領域的科學家與工程師感到興奮。

陝西延長石油（集團）有限責任公司科技委員會主任、原總經理張積耀評價該項技術“無疑給甲烷無氧轉化技術帶來了工業化利用的曙光，將會大大加快甲烷無氧轉化技術的前進步伐。”