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不可忽視的研究-從甲烷直達乙烯的路已接近完工?

工業局石化產業高值化推動專案
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       從1980年代起,科學家就開始研究甲烷生產乙烯的技術,不過因為甲烷本身穩定的特性,導致要將甲烷活化的製程難以達成。
 
       但2015年,美國廠商-Siluria在德州的甲烷生產乙烯的試驗場正式運轉。開廠利用Siluria獨家開發的催化劑,在約200-300度操作溫度、5-10個大氣壓力下,成功的將甲烷轉化成乙烯、乙烷,再將產生的乙烷至造成乙烯。
 
       而到了2016年底,中國科學院大連化學物理研究所、中國石油天然氣集團公司和沙特基礎工業公司正式簽署「甲烷無氧制烯烴和芳香烴項目」的研發合作。
 
       大連化學物理研究所於2014年5月在科學期刊(Science)上發表在無氧高溫的製程下,以矽化物晶格限域的單中心鐵(the lattice-confined single iron sites embedded within a silica matrix)為特徵的催化劑,成功的將甲烷活化,生產乙烯、芳香烴以及氫氣。整體實驗在溫度1363K時,甲烷的轉化率達到約48%,其生產出的碳氫化合物中,約50%為乙烯。這個技術也已向各國申請專利。如今該技術簽署了三方研發合作,代表著將開始朝向商業化、產業化的發展。
 
       Siluria與大連化學物理研究所的技術解決傳統甲烷製石化烯烴原料的生產路線過長、投資過大的問題。傳統的製程須將甲烷先製成甲醇,再透過甲醇製烯烴的技術生產所需要的輕質烯烴。但由於甲烷為一穩定物質,要將其活化需要大量的消耗能量,也使得二氧化碳的排放增加;另一方面,相較於傳統石油腦製烯烴和乙烷製烯烴技術,現今甲醇製烯烴技術的生產成本也高居不下,約是美國乙烷製烯烴的1.5倍至3倍。
 
 世界輕油(Naphtha MTO 甲醇至烯烴)詳如下述說明
世界輕油(Naphtha MTO 甲醇至烯烴)
  • 中東乙烷約6%
  • 美國乙烷約9%
  • 美國丙乙烷約10%
  • 世界輕油約20%
  • 中國MTO約27%
       但是,此甲烷製烯烴技術已被開發,且以甲烷作為原物料預估將使此製成更具競爭力,但相信距離產業化仍有一段路要走。從Siluria的試驗工廠開工至今尚未有更多的相關訊息,相信該製程再放大與產業化仍有未突破的困難和未完備的技術。而在大連物理化工研究所發表出的製程條件中,該製程須在溫度1363K(約1090℃)的條件下進行,也代表這技術將為高耗能,更有可能導致更多的二氧化碳排出與能源成本支出,相信這也是未來要解決的其中一項難題。
 
       全世界甲烷的產量因為美國頁岩氣的開採而逐年上升,而頁岩氣蘊藏量最豐富的中國也定會逐漸朝該資源進行開發。再者甲烷水合物(可燃冰)的開採也可能是未來能源開採的重點,今年5月,中國正式宣布於南海用自行開發的技術開採可燃冰,目前初估全中國蘊藏的甲烷水合物達到約1000億噸油當量。面對越來越高的甲烷產量,以甲烷生產烯烴將更具有發展勢,而其生產技術的更是產業不可忽視的研發項目。
 
參考資料
Direct, Nonoxidative Coversion of Methane to Ethlyene, Aromatics, and Hydrogen, Science, 2016
新近石化產頁受矚目之新發展(續), 石化工業, 2017/3
https://www.icis.com/resources/news/2015/10/21/9935197/siluria-developing-methane-ethylene-plant-in-louisiana/
 
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經濟部石化產業高值化推動辦公室 楊立群
 

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