訪江蘇集萃托普索聯(lián)合研發(fā)中心主任趙鐵均

　　近幾年來(lái)，合成氣直接制低碳烯烴引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。合成氣直接制烯烴在工程化中存在哪些障礙?這一技術(shù)距離工業(yè)化還有多遠(yuǎn)?帶著這些問(wèn)題，記者近日采訪了江蘇集萃托普索聯(lián)合研發(fā)中心主任趙鐵均。“從目前公開(kāi)發(fā)表的科研進(jìn)展看，合成氣直接制烯烴的工業(yè)化還面臨很多挑戰(zhàn)，某些方面甚至接近于‘死亡之谷’。”在趙鐵均眼里，合成氣直接制低碳烯烴前路渺茫。

　　催化劑時(shí)空收率低

　　從反應(yīng)角度來(lái)說(shuō)，要保證合成氣有一定的轉(zhuǎn)化率和對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的選擇性，就要提高催化劑的時(shí)空收率;而對(duì)于分離過(guò)程來(lái)說(shuō)，能量消耗則是關(guān)鍵，特別是對(duì)于低碳烯烴和烷烴的分離過(guò)程，能耗很高。時(shí)空收率低，未轉(zhuǎn)化的物料需要大量循環(huán)，又帶來(lái)了分離能耗增加。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，催化劑活性是一個(gè)基礎(chǔ)條件，也就是說(shuō)為了降低需要循環(huán)的合成氣的量，必須將合成氣的轉(zhuǎn)化率盡可能提高，一般需要在90%左右，而且在這個(gè)條件下，反應(yīng)過(guò)程的低碳烯烴選擇性還不能明顯降低。但從目前公開(kāi)報(bào)道的進(jìn)展來(lái)看，這方面差距仍然很大。

　　北京大學(xué)報(bào)道的Na-Fe/ZnO體系的催化劑，活性很高，CO轉(zhuǎn)化率可達(dá)83%，CO2的選擇性也控制得不錯(cuò)，而且產(chǎn)物中烯烴占比很大，但是輕烯烴部分選擇性為26.5%。一般而言，要維持催化劑的高活性，需要提高氫氣的比例，但提高氫氣比例又可能會(huì)使產(chǎn)物中的低碳烯烴被加氫，從而使催化劑的選擇性受到損害，因此這種催化劑在高活性和高選擇性上相互制約，不能兼顧。

　　高轉(zhuǎn)化率下催化劑的時(shí)空收率將大大降低，這是大家都知道的。對(duì)于另一種實(shí)現(xiàn)合成氣直接制低碳烯烴的催化劑，即稱之為氧化物和分子篩復(fù)合催化劑路線，目前公開(kāi)報(bào)道的轉(zhuǎn)化率僅為20%左右，而且還是氫氣大大過(guò)量的情形下。當(dāng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%時(shí)，Zn-CrOx-SAPO復(fù)合催化劑的時(shí)空收率將下降80%以上。對(duì)于一個(gè)30萬(wàn)噸規(guī)模的低碳烯烴生產(chǎn)裝置，相應(yīng)的催化劑用量將超過(guò)1500噸，而目前同樣規(guī)模的MTO裝置，對(duì)應(yīng)的催化劑用量少于150噸。

　　因此，從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，在進(jìn)一步提高合成氣時(shí)空收率的同時(shí)，保持輕烯烴的選擇性將是合成氣直接制低碳烯烴工業(yè)化之前必須解決的一個(gè)問(wèn)題。比較現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)就是和MTO過(guò)程的催化劑用量差不多。也就是說(shuō)，對(duì)于Zn-CrOx+MSAPO體系催化劑而言，在選擇性不變的情況下，活性需要提升10倍才能和目前的MTO路線競(jìng)爭(zhēng)。

　　分離過(guò)程能耗高

　　如果CO轉(zhuǎn)化率不高，那么在產(chǎn)物中將有大量未轉(zhuǎn)化的CO和H2，這會(huì)極大增加下游分離過(guò)程的能耗。同時(shí)，在合成氣直接制烯烴過(guò)程中，還往往含有一定量的甲烷，為使甲烷不在反應(yīng)系統(tǒng)中累積，必須將甲烷馳放或者與CO和氫氣分離。如果考慮將甲烷和CO分離，那么冷卻系統(tǒng)的最低溫度可能就需要在零下140攝氏度以下。因此，合成氣直接制低碳烯烴中輕組分的分離過(guò)程將是一個(gè)非常耗能的過(guò)程。

　　另外，CO和甲烷從系統(tǒng)中分離的同時(shí)往往還會(huì)帶走部分乙烯。對(duì)于一個(gè)典型的30萬(wàn)噸級(jí)乙烯裝置，0.1%的乙烯損耗就意味著300噸乙烯被帶走，也就是近300萬(wàn)元的損失，這還不包含馳放氣中的合成氣。合成氣單元的CO轉(zhuǎn)化率越低，殘余的合成氣比例就越高，攜帶走的乙烯就越多;另外，合成氣循環(huán)量大，才能促進(jìn)總轉(zhuǎn)化率提高，但這需要的壓縮能耗也就越大。

　　所以說(shuō)，盡管合成氣直接制烯烴與煤制烯烴相比省去了甲醇合成過(guò)程，但是下游的分離系統(tǒng)規(guī)模和操作費(fèi)用會(huì)有明顯上升，這樣設(shè)備投資甚至可能超過(guò)煤制烯烴過(guò)程，并且因?yàn)榫揞~能量消耗而帶來(lái)的操作費(fèi)用也將非常高。

　　催化劑反應(yīng)器匹配難

　　費(fèi)托反應(yīng)器和催化劑的匹配與否對(duì)合成氣直接制烯烴工藝過(guò)程具有決定性的作用，反應(yīng)器類型不同，催化劑機(jī)的械強(qiáng)度、外形甚至制備過(guò)程也不同，簡(jiǎn)言之就是要“量體裁衣”。

　　從目前報(bào)道來(lái)看，合成氣直接制烯烴過(guò)程有250攝氏度(Co2C)、 350~400攝氏度(Zn-CrOx-SAPO)兩種不同溫度水平的催化劑。

　　250攝氏度采用的反應(yīng)器類型可以是帶強(qiáng)換熱的固定床或者帶有高沸點(diǎn)溶劑的漿態(tài)床。這一溫度水平采用的Co系催化劑與Fe系催化劑相比，積碳量較少，所以由于積碳引起的催化劑失活的可能性比較小，但Co對(duì)于反應(yīng)氣氛比較敏感，本身粒子也容易燒結(jié)，這是工業(yè)催化劑必須要考慮并解決的問(wèn)題。而且反應(yīng)過(guò)程中還存在從Co到Co2C活性相的變化，碳化物的形成過(guò)程可能會(huì)引起催化劑的結(jié)構(gòu)變化。

　　如果采用強(qiáng)換熱的固定床反應(yīng)器，需要解決的問(wèn)題有催化劑的成型和預(yù)處理。由于固定床采用毫米級(jí)的催化劑，催化劑顆粒中氫氣和CO的濃度比會(huì)有很大變化，宏觀上是1或者0.5，但在催化劑顆粒內(nèi)部的實(shí)際比例甚至可以達(dá)到100。因此，即使已經(jīng)解決了催化劑時(shí)空收率低的問(wèn)題，在固定床反應(yīng)器上實(shí)施合成氣直接制烯烴還需要系統(tǒng)研究，不僅是催化劑成型和前處理，還有顆粒催化劑與反應(yīng)器協(xié)調(diào)的問(wèn)題。

　　漿態(tài)床的好處是換熱能力比較強(qiáng)，還可以采用粉末催化劑，催化劑的效率相對(duì)比較高。但漿態(tài)床的的缺點(diǎn)是返混比較嚴(yán)重，也就是說(shuō)生成的烯烴容易被未轉(zhuǎn)化的氫氣繼續(xù)飽和，這樣得到的烯烴選擇性會(huì)大大下降。另外，對(duì)于漿態(tài)床催化劑而言，如何通過(guò)特殊工藝形成尺寸合適的球狀催化劑，并且具有很好的機(jī)械強(qiáng)度是其面臨的挑戰(zhàn)。

　　對(duì)于適合350攝氏度或者400攝氏度水平操作的催化劑而言，流化床反應(yīng)器可能是一種比較合適的反應(yīng)器，可采用固定流化床或者循環(huán)流化床，它們對(duì)催化劑機(jī)械強(qiáng)度的要求更高，這對(duì)于復(fù)合的氧化物-分子篩催化體系來(lái)說(shuō)將是一個(gè)很大挑戰(zhàn)，要將兩種催化劑混合并保持反應(yīng)需要的空間組成分布并非易事。

　　以上只是合成氣直接制低碳烯烴過(guò)程在技術(shù)層面的幾個(gè)基本挑戰(zhàn)，若從宏觀角度而言，其經(jīng)濟(jì)性還會(huì)受到MTO本身以及頁(yè)巖氣，常規(guī)石油路線等方面的挑戰(zhàn)。但僅從技術(shù)層面就可以看出，這一貌似具有革命性的路線實(shí)際還有大量根本性問(wèn)題尚未觸及，不解決這些基本問(wèn)題，就無(wú)法把這一實(shí)驗(yàn)室成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。