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乙炔、二氯乙烷无汞催化制PVC与页岩气革命

PVC广泛应用于包装材料、人造革、塑料制品等软制品和异型材、管材、板材等硬制品,在国民经济发展和人民日常生活中占有非常重要的地位。PVC树脂在生产和使用上比传统的建筑材料节能,因此是国家重点推荐使用的建材。

    传统的PVC生产工艺有乙烯和乙炔原料路线两种,国外几乎全部采用乙烯原料路线生产。由于我国富煤、贫油、少气的能源结构,发展乙烯原料路线受到诸多条件限制,而发展乙炔原料路线(也称电石法)聚氯乙烯可以有效地缓解我国石油紧张的局面。因此,我国80%的聚氯乙烯生产企业采用电石法工艺,但是,电石法PVC生产氯乙烯单体的过程中需要采用氯化汞触媒作为催化剂,而国内可开采的汞矿资源接近枯竭,国外限制含汞产品交易的呼声越来越高。因此,在我国国情下电石法PVC的最大优势在于成本低。

PVC原料路线呈多元化发展

    随着中东乙烷制乙烯联产乙炔规模的扩大以及北美非常规油气资源规模化开发应用的成功,不仅使乙烯、乙炔来源多元化,还使山东、天津、浙江、江苏、上海等地理位置优势地带进口乙烯、乙炔、二氯乙烷等生产原料生产PVC具有更加明显的成本优势。并且,中东地区富含乙烷的天然气供应充足,乙烷氧化脱氢制乙烯联产乙炔技术的突破和工业化装置的增多,使中东地区乙烯、乙炔成本大幅度降低。虽然近期对中国PVC的影响有限,但从长远来看,廉价的乙烯、乙炔或衍生品二氯乙烷进入中国市场仍将会对国内的PVC行业产生不小的冲击。

    最具有竞争优势的还是美国的页岩气裂解制乙烯的规模化应用,北美页岩气及伴生乙烷产量的快速增加使得美国各种化工原料成本不断下降,并实现大量出口。相关资料显示,借助北美地区成本低廉的页岩气原料生产PVC出口到中国,其到岸价格仅为每吨4000元左右,比我国西北地区新建电石法PVC成本还要低。因此,大量廉价的氯碱产品或乙炔、乙烯、二氯乙烷原料将会进一步冲击我国氯碱行业。另外,由于美国页岩气产量快速增长,天然气价格大跌,来自页岩气的天然气凝析液产品一方面增加了石化裂解装置原料的供应,另一方面也使美国天然气液体产品的价格在较长一段时间内比石油基原料价格更低。可以预料我国电石法PVC可能又将面临巨大的压力。

    乙炔、二氯乙烷无汞催化合成氯乙烯的发展

    与以上行业背景相呼应的是德州实华化工有限公司、中国科学院上海高研院、中科易工(厦门)化学科技有限公司联合开发的乙炔、二氯乙烷无汞催化重整制PVC新工艺。该工艺以乙炔和二氯乙烷为原料,在以钡盐为催化剂、活性炭为载体的全新无汞催化剂作用下,通过催化重整制得氯乙烯,创造性地开辟了一条清洁无污染的氯乙烯生产工艺线路。该工艺开发出了替代汞触媒的新型催化剂,可彻底解决氯乙烯行业面临的汞污染问题;采用无汞催化剂,可提高乙炔、二氯乙烷的总转化率及氯乙烯收率,降低原料乙炔、二氯乙烷消耗,同时减少对含汞催化剂的无害化处理需要的能量和资源消耗。乙烯法中二氯乙烷裂解与乙烯氧氯化单元的设备投资巨大,是乙烯法工艺的重要制约因素之一,而新工艺只需简单的固定催化床即可,不仅工艺简单、流程短、设备耗资小,占地面积也大大减少。

    该工艺以乙炔和二氯乙烷为原料,目前乙炔的生产原料主要为电石和天然气(常规天然气或非常规天然气-页岩气),电石法乙炔装置投资少、原料易得、生产工艺简单,但能耗高、环境污染严重,工业发达国家已淘汰了该法,转而以天然气和液态烃为原料来生产乙炔。目前,美国的乙炔生产能力中75%采用天然气为原料,西欧的乙炔生产能力中85%至95%采用天然气为原料。此外,前苏联也拥有较大的天然气制乙炔生产能力,7家乙炔生产厂中有3家采用天然气为原料,生产能力约为30万吨/年。目前国内已有厂家自国外引进部分氧化法乙炔工业化生产技术,如:四川维尼纶厂、青海盐湖集团、新疆美克股份有限公司等。德州实华化工有限公司目前的原料乙炔采用电石法生产,二氯乙烷外购。

    新工艺生产过程中乙炔、二氯乙烷以一比一的摩尔比进行反应,使得电石用量比传统电石法用量减半,因此,吨PVC产品成本比传统电石法低千元左右。另外,如果原材料连接页岩气资源,采用页岩气凝析液中的乙烷选择性氧化脱氢生产乙烯联产乙炔,乙烯氯化制二氯乙烷,二氯乙烷与乙炔催化重整制氯乙烯单体,进而聚合制聚氯乙烯。这样不仅能一次性解决二氯乙烷与乙炔来源。还使该工艺具有更大成本优势,产品质量高、生态环保。为PVC的生产开辟出一条低能耗、低污染、低投入、低成本的全新路线。

    随着美国页岩气开发热潮的到来,壳牌、陶氏化学、雪佛龙、菲利普斯化学等都已宣布即将在美国新建基于页岩气的乙烯裂解装置。中国氯碱工业协会的调查显示:美国采用页岩气凝析液中的乙烷生产乙烯,再用传统的氧氯化平衡法制取PVC,其成本比世界其他所有国家都低,与中国乙烯氧氯化平衡法法PVC相比,更有300至400美元/吨的成本优势。初步估算,如果乙炔、二氯乙烷无汞催化重整制PVC与乙烷选择性氧化制乙烯联产乙炔工艺耦合,吨PVC的成本有望再降低200美元/吨。在此情况下,与以电石、石脑油为龙头的PVC生产工艺相比,成本至少降低500至600美元/吨,也就是说乙炔、二氯乙烷无汞催化制PVC对接页岩气原料的生产新工艺路线在未来中国的生产成本不会超过人民币4000元/吨。如此,石脑油-乙烯氧氯化平衡法制PVC路线明显无竞争力,并且乙炔、二氯乙烷无汞催化重整生产PVC与乙烷选择性氧化制乙烯联产乙炔工艺耦合,生产出的PVC质量预计与石脑油-乙烯氧氯化平衡法无太大差异。

    技术展望

    全球化竞争的残酷性给中国氯碱这种全球性行业的生存带来了巨大的威胁,西方国家利用绿色浪潮席卷全球与世界绿色经济兴起的趋势,对中国氯碱产业走清洁生产、绿色化工道路提出了更高的要求。电石法PVC短时期内在中国发展具有可行性,但是站在更长远的未来和全球产业竞争环境的角度来看电石法PVC从根本上并不符合国家节能减排和绿色化工的要求。因此,在能源和资源日益紧张和节能减排要求更加严格的状况下,PVC一方面应该按照绿色化工的要求,充分体现绿色化工在循环经济模式上的应用,有效提高能源的利用率;另一方面通过技术创新,新技术、新工艺的开发和清洁生产工艺、环保技术的使用,寻求低成本原料来源,加快落后技术和传统技术的更新速度,使我国PVC产业走绿色化清洁生产道路,实现行业盈利模式的转变。

    德州实华化工有限公司、中国科学院上海高研院、中科易工(厦门)化学科技有限公司联合开发的乙炔、二氯乙烷无汞催化重整制PVC新工艺。创造性地开辟了一条全新的PVC生产工艺线路。该工艺正在德州实华进行的2000至5000吨/年规模全流程生产线试验,反应器规格、生产工艺、仪表控制均达到工业化要求,在试验过程中将进行工艺包设计,最终形成20万吨/年氯乙烯生产规模的工艺包,实现首条无汞化PVC工业化生产线。该工艺对接页岩气革命既符合我国国情,也会为全世界的PVC产业开辟一条低成本、绿色、环保的全新工艺路线。并且,中国页岩气资源类型多、分布广、潜力大,中国海相沉积分布面积多达300×104平方公里,海陆交互相沉积面积超过200×104平方公里,陆上海相沉积面积约280×104平方公里。据估算,中国页岩气可开采资源量大约为31×1012平方公里。未来,两者相结合,定会使我国PVC产业走上绿色清洁生产道路,勇于抵挡西方国家席卷全球与世界的绿色经济浪潮。


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