一碳化工产品及其发展

一碳化工产品及其发展

杨凡

内蒙古恒坤化工有限公司 内蒙古鄂尔多斯市 016200

摘要：一碳化工是替代石油合成路线制备基本有机化工原料、燃料和其他重要化学品的最重要的最有发展前景的途径.本文综合讨论了以含一个碳原子化合物为原料合成化学品和新材料的国内外研究与开发的进展,包括已工业化的技术.同时也对一碳化工产品发展方向和与一碳化合物相关的能源技术产品、环境保护技术产品及低品位一碳化合物资源化技术作了较全面的分析.

关键词：一碳化工；合成气；甲醇；天然气

1引言

随着近年来国民经济的长足发展,我国石油消费一直呈上涨趋势.从1993年起我国已成为石油净进口国.2010年我国石油供应缺口达1.16～1.26亿吨;预计2020年缺口将进一步达到1.9～2亿吨,占总需求量的40%以上.从国家安全和能源战略的角度出发,研究开发以一碳资源替代石油作为原料的新的化学生产工艺,对于我国这样一个煤多、油少、甲烷资源丰富的国家,有着格外重要的意义.世界天然气储量十分丰富,远景储量达400万亿立方米.我国天然气储量达40万亿立方米,约占世界总储量的10%.1995年世界天然气需求量是2.2万亿立方米,在世界一次能源消费中占23%,2010年将达2.9～3.1万亿立方米,占25%.21世纪中叶,天然气产量折合油当量将超过原油产量.显而易见,天然气将是21世纪世界能源的重要组成部分.从我国资源特点出发,我国发展以煤和天然气为主要原料的一碳化学工艺有着非常重要的战略意义.

2一碳化工产品发展方向

2.1基本有机化工产品合成方面

随着能源、资源和环境三大方面整体形势的变化,目前一碳化学化工研究与开发主要集中在合成油和几大基本有机化工产品方面,包括乙烯、甲醇、二甲醚、碳酸二甲酯、苯和其他芳烃、乙酸、乙二醇等.研究的转化途径可以分为直接转化和经过合成气的间接转化两种.鉴于目前已工业化的水蒸气重整制合成气存在的缺点(能耗高、产生氢/碳比不合理等),近年来国内外开展了大量研究工作,以发展甲烷部分氧化制合成气、二氧化碳重整制合成气以及与上述两反应相混合的水蒸气重整合成气制备过程.在一碳路线合成乙烯的研究方面,20世纪80、90年代,在世界范围内,集中开展了甲烷氧化偶联制乙烯反应研究,但取得的乙烯收率低于35%,达不到实用化水平.催化剂与反应器的改进、反应与分离一体化的探索以及新反应技术研究为目前开展的主要工作^[1~3],短期内取得突破的可能性不大.在一碳原料路线合成乙烯的其他方面,研究主要集中在CO加氢、甲醇转化(MTO过程)、二甲醚脱水等几个方面.开发适用催化剂为这些研究取得突破的关键.在一碳路线合成甲醇方面,研究主要集中在改进合成气转化催化剂^[4]、二氧化碳加氢^[5](日本学者认为该反应为二氧化碳利用的最有效途径)、甲酸甲酯氢解、甲烷部分氧化、甲烷和二氧化碳等离子体或超临界直接转化、碘甲烷水解等几个方面.对于二氧化碳加氢反应,廉价的氢来源成为制约该反应实用化的主要因素,同时,寻找低温活性更好的催化剂也是研究的热点.最近,厦门大学张鸿斌教授课题组采用纳米碳管为催化剂载体用于二氧化碳的加氢反应,取得了很好的效果.对于甲烷部分氧化反应,目前已报道的最高甲醇收率不超过8%.清华大学一碳化学化工国家重点实验室最近采用新型结构热化学反应器,在不使用催化剂情况下取得甲醇收率大于8%的结果,并可望取得进一步实用化成果.在一碳路线合成乙酸方面,研究与开发工作主要集中在甲醇羰基化反应、经合成气直接转化合成乙酸、甲烷和CO转化、甲酸甲酯催化异构化、甲烷和二氧化碳直接转化等几个方面.这一反应研究涉及多个原子经济反应,如甲烷和二氧化碳直接转化、甲醇羰基化都是100%原子经济反应,所有反应物原子反应后都变成为产物原子,在理论和实践两方面具有非常重要的意义.目前,工业化的二甲醚生产路线是甲醇脱水工艺路线.现正在研究开发以煤、天然气为原料,经由合成气一步合成二甲醚新工艺,部分已实现工业化.在一碳路线合成乙二醇方面,研究主要集中在甲醇直接转化、合成气转化和CO偶联(经草酸)等几个方面.

2.2清洁能源与绿色化工中的应用方面

2.2.1一碳化学技术与清洁能源

绿色化工固然是一种有效缓解环境问题,但并不能改善化工燃料以及能源总量日益减少的局面,而一碳化学技术则是一种追求清洁能源与绿色化工的同时达成。近年来,随着原油价格的不断攀升以及资源总量的减少,化工生产将燃料的能源转向了丰富的煤炭资源,一碳化学技术也由此而生。所谓一碳化学指的是分支中只含有一个碳原子的化合物,例如甲烷、一氧化碳等,利用一氧化碳制造化工生产的燃料能源的化学技术称之为一碳化学技术

2.2.2一碳化学技术在绿色化工的应用情况

鉴于我国缺油、少气、富煤的自然环境,煤炭是化学工业的主要原料,故狭义的一碳化学就是指一氧化碳化学,或称合成气(C O+H Z)化学。一碳化学技术在绿色化工的应用主要体现在以下几个方面:其一是一碳化合物的直接利用,例如利用D M(C碳酸二甲醋)产品替代卤代甲烷进行化工生产,有效阻止了传统甲基化反应中产生的剧毒和致癌物质,有效保护了环境。在传统的甲基化反应中,例如苯甲醚的化工生产中,使用卤代甲烷和化学计量的氢氧化钠共同反应生成。苯酚和甲醇在分子筛催化剂作用下也可发生气相甲基化反应生成苯甲醚和甲酚。而利用一碳技术则是利用D M C产品取代卤代甲烷,在分子筛催化剂作用下,D M C能够与苯酚直接发生甲基化反应生产产物苯甲醚,而没有产物甲酚的产生。除此之外,一碳化学技术还被广泛应用在甲醇生产工艺和甲酸生产艺上。其二是对一碳技术的间接利用,主要体现在甲醇在制氢领域的应用。

3发展前景

目前,许多国家将一碳化学技术的发展前景集中在“基于二氧化碳的一碳化学技术”的研究上,其理念的产生主要是因为二氧化碳具备一定的生产能效,二氧化碳能够被利用生产其他化工原料以及产品,而二氧化碳作为一种取之不尽的化学资源而言,本身也具备一定的可持续发展特性,在生产过程中,实现了碳元素的循环利用,起到了资源节约的良好发展

我国已在高等学校、科学院建立起了一支庞大的研究队伍,建立有一碳化学化工国家重点实验室.已取得一些具有国际先进水平的研究成果,包括一些原始创新意义的研究成果.在当今国际形势下,发展替代石油合成路线的一碳化工合成路线是我国能源、化工实现可持续发展的必由之路.在这方面,新技术的采用将成为一碳化工技术发展的重要手段,这是由一碳小分子的稳定性决定的.这些新技术包括生物技术、等离子体与催化联合转化技术、超临界反应技术、反应-分离一体化技术、微型反应技术等.无论是从世界能源发展的战略角度出发,还是着眼于环境保护、造福子孙的可持续发展,一碳化工的发展都有着极为重要的意义.

参考文献：

[1]国秀梅,陈洪钫.化工学报1995,46(6):682—688

[2]王保伟,许根慧,孙洪伟.化工学报,2001,52(1):79—83

[3]王保伟,许根慧,刘昌俊.化工学报,2001,52(8):659—665

[4]王存文,朱炳辰,丁百全,房鼎业.化工学报,2001,52(11):1006—1011

[5]陈晓春,郭耀星,李成岳.化工学报,2001,52(12):1054—1057

作者简介：杨凡（1997-01-05），男，汉族，籍贯：内蒙古鄂尔多斯市。