合成氣是化學(xué)工業(yè)非常重要的原料氣，全球有大量的合成氣裝置，合成氣除了可以制氫之外，其中的一氧化碳還可以作為碳的來源，用于合成如甲醇、乙醇、乙二醇等化工原料，并進(jìn)一步加工。隨著碳中和事業(yè)的推進(jìn)，我們之前說過，煤碳、石油、天然氣作為燃料的使用會(huì)越來越少，而用于加工化學(xué)品的比例會(huì)越來越高，這其中也包括天然氣。天然氣的價(jià)格比石油要低，地球上儲(chǔ)量大，尤其是頁巖氣主要也是天然氣，因此對(duì)天然氣的低碳加工利用也是對(duì)之前石腦油低碳加工利用的一個(gè)非常重要的補(bǔ)充。天然氣的利用主要的方式之一就是蒸汽重整制合成氣，再使用合成氣制甲醇，繼而再利用甲醇制造新的化學(xué)品，其中一條重要路線就是用甲醇制DME（二甲醚），然后用DME（二甲醚）制造乙烯和丙烯，這樣天然氣就能像石腦油一樣，制造最重要的化工原料， 乙烯和丙烯。 而烯烴是化工行業(yè)的核心原料，是制造包括聚烯烴、環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷、丙烯酸、 檸檬醛、多元醇等基礎(chǔ)化學(xué)品不可獲取的原料 ，雖然全球超過70%的乙烯和丙烯是通過石腦油裂解制造的，但合成氣制造烯烴也是非常重要的一條路線，尤其是石腦油的產(chǎn)量是和汽柴油的產(chǎn)量高度關(guān)聯(lián)的，隨著碳中和的進(jìn)程， 汽柴油減產(chǎn)就會(huì)影響到石腦油的供應(yīng)，因此合成氣制備烯烴是一個(gè)非常重要的補(bǔ)充。
天然氣干重整制烯烴技術(shù)的產(chǎn)生 合成氣生產(chǎn)本身也是一個(gè)排放二氧化碳的過程，以天然氣蒸汽重整制合成氣為例：使用天然氣和水蒸汽在高溫和鎳基催化劑下發(fā)生反應(yīng) （CH4+H2O = CO + 3H2），這是一個(gè)強(qiáng)吸熱反應(yīng)， 需要燃燒天然氣供熱, 因此二氧化碳排放量不低，可以達(dá)到每噸合成氣排放350公斤二氧化碳的水平。 為了改善天然氣制烯烴的工藝，巴斯夫公司開發(fā)了一個(gè)全新的工藝流程，幾乎可以做到零碳甚至負(fù)碳排放，是一個(gè)非常有希望的工藝 – 天然氣干重整制烯烴技術(shù)。 該技術(shù)不使用水蒸汽，而是使用二氧化碳作為原料和天然氣反應(yīng)，在特殊催化劑的作用下， 轉(zhuǎn)化為富含一氧化碳的合成氣(CH4+CO2=2H2+2CO)，再使用這種合成氣，在新型催化劑的作用下，直接合成二甲醚，副產(chǎn)物是二氧化碳(3CO+3H2=C2H6O+CO2)，二甲醚有成熟的工藝直接制乙烯和丙烯，而副產(chǎn)物二氧化碳則可以輸入第一步干重整的反應(yīng)中，作為原料二氧化碳的來源。 這個(gè)工藝流程的巧妙之處在于甲烷干重整的合成氣的一氧化碳與氫氣的比例（1:1）正好適合用來直接制造二甲醚， 生成二甲醚的反應(yīng)中，唯一的氣態(tài)產(chǎn)物就是二氧碳化 (3CO+3H2=C2H6O+CO2), 確保了我們可以直接從反應(yīng)器中收集高純度的二氧化碳，再用于第一步的反應(yīng)中，這樣整個(gè)兩步的流程就不再有過程排放，如果反應(yīng)器加熱能使用電加熱的方式，那整個(gè)流程就能做到零碳排放。考慮到現(xiàn)在大多數(shù)的制備烯烴的工藝，大多數(shù)都是高能耗高溫室氣體排放的過程，這種低碳甚至零碳制烯烴的方式，或許將會(huì)對(duì)未來的化工行業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。
該工藝面臨的主要挑戰(zhàn)是兩步反應(yīng)都需要開發(fā)全新的高選擇性的催化劑， 以確保反應(yīng)物能向我們?cè)O(shè)想的反應(yīng)方向發(fā)生。對(duì)于第一步反應(yīng) - 甲烷的干重整，巴斯夫公司通過高通量篩選的方式，找到了兩種基于鎳和鈷的新型尖晶石催化劑并優(yōu)化了其表面特性， 甚至使用了該公司的一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)來計(jì)算其幾何形狀， 以確保反應(yīng)條件的穩(wěn)定和優(yōu)化，避免催化劑表面結(jié)焦等現(xiàn)象的產(chǎn)生。 巴斯夫借助超級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)幾何形狀的用于甲烷干重整的尖晶石催化劑 （來源：巴斯夫官網(wǎng)www.basf.com） 對(duì)于第二步反應(yīng) – 合成氣制二甲醚，巴斯夫也開發(fā)了一款全新的催化劑，基于沸石超高的表面積來提高反應(yīng)效率，同時(shí)將兩種不同的催化劑結(jié)合成為一種“雙功能”催化劑，并優(yōu)化了催化劑床層的動(dòng)力學(xué)參數(shù)， 有效地提升了生成二甲醚反應(yīng)的選擇性，在實(shí)驗(yàn)條件下，催化劑的壽命也超過了一年。 合成氣制二甲醚反應(yīng)的催化劑 （來源：巴斯夫官網(wǎng)www.basf.com） 值得注意的是，巴斯夫目前已經(jīng)完成了第一步甲烷干重整的技術(shù)驗(yàn)證裝置，目前正在和中國海洋石油公司合作，共同合作實(shí)施進(jìn)一步的技術(shù)驗(yàn)證和設(shè)備放大商業(yè)化的工作。而第二步反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室研究已經(jīng)成功， 正在期待裝置放大后的技術(shù)驗(yàn)證。 甲烷干重整制合成氣進(jìn)而制烯烴的工藝流程不僅是一種具備零碳排放潛力的新工藝，同時(shí)因?yàn)槠洳恍枰褂盟羝砸卜浅＿m合一些天然氣資源豐富但缺水的地區(qū)在當(dāng)?shù)丶庸ぬ烊粴獾男枨蟆６业厍蛏咸烊粴獾膬?chǔ)量遠(yuǎn)高于石油，使用天然氣替代石油，在不排放溫室氣體的條件下制造烯烴，是非常符合未來碳中和社會(huì)的基本需求的。 其現(xiàn)階段商業(yè)上目前主要面臨的競(jìng)爭(zhēng)來自于丙烷脫氫制烯烴工藝，由于頁巖氣革命導(dǎo)致市場(chǎng)上可以獲得大量廉價(jià)的丙烷，使用簡(jiǎn)單成熟的脫氫工藝就可以生產(chǎn)大量丙烯，且二氧化碳排放強(qiáng)度不算很高（主要是脫氫反應(yīng)溫度需要達(dá)到500-600攝氏度，以及催化劑再生涉及二氧化碳的排放），成本也相對(duì)較低，這就使得干重整合成氣制烯烴在現(xiàn)有商業(yè)環(huán)境下還沒能具備大規(guī)模推廣的成本優(yōu)勢(shì)。但隨著碳中和事業(yè)的推進(jìn)，考慮到天然氣的儲(chǔ)量?jī)?yōu)勢(shì)，在未來相關(guān)政策的支持下，其前景依然相當(dāng)?shù)貥酚^。
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