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，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?帶著這些問題，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。“從目前公開發(fā)表的科研進展看，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。

　　催化劑時空收率低

　　從反應(yīng)角度來說，要保證合成氣有一定的轉(zhuǎn)化率和對應(yīng)產(chǎn)品的選擇性，就要提高催化劑的時空收率;而對于分離過程來說，能量消耗則是關(guān)鍵，特別是對于低碳烯烴和烷烴的分離過程，能耗很高。時空收率低，未轉(zhuǎn)化的物料需要大量循環(huán)，又帶來了分離能耗增加。從這個意義上來說，催化劑活性是一個基礎(chǔ)條件，也就是說為了降低需要循環(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，而且在這個條件下，反應(yīng)過程的低碳烯烴選擇性還不能明顯降低。但從目前公開報道的進展來看，這方面差距仍然很大。

　　北京大學報道的Na-Fe/ZnO體系的催化劑，活性很高，CO轉(zhuǎn)化率可達83%，CO2的選擇性也控制得不錯，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)化率下催化劑的時空收率將大大降低，這是大家都知道的。對于另一種實現(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合催化劑路線，目前公開報道的轉(zhuǎn)化率僅為20%左右，而且還是氫氣大大過量的情形下。當轉(zhuǎn)化率達到90%時，Zn-CrOx-SAPO復合催化劑的時空收率將下降80%以上。對于一個30萬噸規(guī)模的低碳烯烴生產(chǎn)裝置，相應(yīng)的催化劑用量將超過1500噸，而目前同樣規(guī)模的MTO裝置，對應(yīng)的催化劑用量少于150噸。

　　因此，從這一點來說，在進一步提高合成氣時空收率的同時，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問題。比較現(xiàn)實的目標就是和MTO過程的催化劑用量差不多。也就是說，對于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路線競爭。

　　分離過程能耗高

　　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，這會極大增加下游分離過程的能耗。同時，在合成氣直接制烯烴過程中，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程將是一個非常耗能的過程。

　　另外，CO和甲烷從系統(tǒng)中分離的同時往往還會帶走部分乙烯。對于一個典型的30萬噸級乙烯裝置，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，才能促進總轉(zhuǎn)化率提高，但這需要的壓縮能耗也就越大。

　　所以說，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程，但是下游的分離系統(tǒng)規(guī)模和操作費用會有明顯上升，這樣設(shè)備投資甚至可能超過煤制烯烴過程，并且因為巨額能量消耗而帶來的操作費用也將非常高。

　　催化劑反應(yīng)器匹配難

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

　　從目前報道來看，合成氣直接制烯烴過程有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)器類型可以是帶強換熱的固定床或者帶有高沸點溶劑的漿態(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題。而且反應(yīng)過程中還存在從Co到Co2C活性相的變化，碳化物的形成過程可能會引起催化劑的結(jié)構(gòu)變化。

　　如果采用強換熱的固定床反應(yīng)器，需要解決的問題有催化劑的成型和預(yù)處理。由于固定床采用毫米級的催化劑，催化劑顆粒中氫氣和CO的濃度比會有很大變化，宏觀上是1或者0.5，但在催化劑顆粒內(nèi)部的實際比例甚至可以達到100。因此，即使已經(jīng)解決了催化劑時空收率低的問題，在固定床反應(yīng)器上實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)的問題。

　　漿態(tài)床的好處是換熱能力比較強，還可以采用粉末催化劑，催化劑的效率相對比較高。但漿態(tài)床的的缺點是返混比較嚴重，也就是說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大大下降。另外，對于漿態(tài)床催化劑而言，如何通過特殊工藝形成尺寸合適的球狀催化劑，并且具有很好的機械強度是其面臨的挑戰(zhàn)。

　　對于適合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，它們對催化劑機械強度的要求更高，這對于復合的氧化物-分子篩催化體系來說將是一個很大挑戰(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程在技術(shù)層面的幾個基本挑戰(zhàn)，若從宏觀角度而言，其經(jīng)濟性還會受到MTO本身以及頁巖氣，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際還有大量根本性問題尚未觸及，不解決這些基本問題，就無法把這一實驗室成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。