炼油化工催化剂产业将迎来发展新机遇（图）

  [中国石化报 2024-09-19]
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  催化剂被誉为炼化工业的“芯片”。炼化工业领域90%的工艺过程都需要使用催化剂，炼化工业的发展很大程度上依赖催化剂的发展。几十年间，我国炼化工业为解决十几亿人口的“衣、食、住、行”作出了重大贡献，创造了令世界瞩目的工业发展奇迹，催化剂技术功不可没。近年来，我国催化剂技术逐渐达到或超过国际水平，产业化发展加速推进。未来，催化剂发展将进一步通过科技创新，在提高催化剂性能、拓展应用领域的同时，减少催化剂本身及催化反应对环境、安全和健康的不良影响。
  本版文字、图表由中石化（上海）石油化工研究院有限公司杨学萍提供
  什么是催化剂？
  催化剂在工业上又称触媒，是一类能改变反应速度且在反应中自身并不消耗的物质。在现代化学工业中，催化剂占据极其重要的地位，约90%的化工产品生产都使用催化剂，目的是加快反应速率、提高生产效率。催化剂在工业上的应用历史可以追溯到19世纪末，从硫酸生产到氯碱工业，从合成氨到石油炼制、石油化工等，都发挥着重要作用，推动了无机化工、石油炼制与化工、合成材料等行业的快速发展。
  炼油化工催化剂有哪些种类？
  炼油化工催化剂主要用于石油炼制及化工生产过程，品种繁多。按物理状态可分为液体催化剂和固体催化剂；按反应体系可分为均相催化剂和多相催化剂；按反应类型可分为炼油催化剂（催化裂化、加氢、重整、异构化等）、化学工艺催化剂（合成氨、甲醇合成、脱氢、氧化、羰基合成等）、聚合催化剂（用于生产聚烯烃、聚酯、聚苯乙烯等）；按作用可分为主催化剂和助催化剂。
  炼油化工常用的催化剂有哪些类型？
  绝大多数催化剂由活性组分（主催化剂）、载体和助催化剂组成。工业上常用的催化剂类型如下：
  据统计，2023年全球炼油化工催化剂市场价值约261.83亿美元，比上年增长约1.2%。随着催化剂应用领域的拓展及下游产业规模的扩大，未来全球催化剂市场规模将呈持续扩大态势。预计2023~2028年全球炼油化工催化剂市场年均复合增长率为1.2%，2028年将达274.59亿美元。
  从地区分布看，我国和北美是全球炼油化工产业规模最大、发展增速最快的国家和地区，因此炼油化工催化剂市场规模较大，合计价值占比超过50%。在2021年前后，我国炼油和乙烯产能均已超过美国，成为世界第一石化大国，炼油化工催化剂市场规模位居第一。
  从应用领域看，炼油催化剂占24%、化学工艺催化剂占35%、聚合催化剂占41%。其中，流化催化裂化（FCC）催化剂需求量最大，占比约81%；加氢裂化、加氢处理、加氢脱蜡等加氢催化剂占13%；石脑油重整和异构化催化剂占4%；其他占2%。随着全球清洁燃料需求增长，汽柴油产品向降烯烃、低硫化方向发展，未来炼厂加氢处理催化剂需求量将进一步增长。在新的催化剂配方和工艺取得突破的前提下，轻质石脑油异构化逐渐成为提高汽油辛烷值的重要途径之一，促进了异构化催化剂的消费。此外，“油转化”进程加快，用于多产轻质烯烃和芳烃的炼油催化剂（如深度催化裂化催化剂和重整催化剂）用量增速也将有所提升。
  据统计，我国炼油化工催化剂产能超过65万吨/年，年产量44.6万吨，其中化学工艺催化剂市场规模增速最快。
  全球炼油化工催化剂主要供应商情况
  全球炼油化工催化剂主要供应商大致分为五类：第一类是拥有基础原材料专属或受控来源的公司，例如英国庄信万丰，是南非勒斯滕堡铂金矿的唯一市场经销商，也是全球最主要的贵金属分销商之一，在贵金属催化剂领域具有明显优势；第二类是自身有大量催化剂需求的公司，例如日本触媒（马来酸酐和环氧乙烷的氧化催化剂）、巴斯夫（各种石化催化剂）、中国石化（多种炼油和石化生产催化剂）；第三类是拥有核心生产技术的公司，例如美国格雷斯（拥有先进的二氧化硅合成与改性技术）和科莱恩（拥有成熟的分子筛技术）；第四类是选择催化剂作为核心业务领域并拥有专门制造厂的化工公司，例如赢创（用于精细化学品选择加氢的金属催化剂）、雅宝等；第五类是配套专有技术、为技术许可方供应催化剂的技术公司和工程公司，例如霍尼韦尔UOP（MTO催化剂、连续重整以及甲苯歧化与烷基转移催化剂）、阿克森斯（连续重整、选择加氢与异构化催化剂）和日本日挥触媒化成等。
  从产品种类、生产规模、综合竞争力水平看，全球炼油化工催化剂主要供应商有美国格雷斯、陶氏化学、埃克森美孚、霍尼韦尔UOP，德国巴斯夫，英国庄信万丰，丹麦托普索，日本日挥触媒化成，法国阿克森斯等。
  国内最大的催化剂供应商是中国石化催化剂公司，拥有炼油化工催化剂生产装置37套，产品涵盖炼油、聚烯烃、有机原料、煤化工用催化剂、吸附剂及助剂六大类近300个品种，产能达到24万吨/年，占我国炼油化工催化剂产能比例超过1/3，其母公司中国石化是我国最大的催化剂消费企业。中国石化多种催化剂产品还远销欧洲、美洲、东南亚、非洲等国际市场。此外，我国还有中触媒、抚顺新瑞、淄博齐茂、凯达科技、北京高新利华等多家民营催化剂公司。
  总体上看，国外催化剂生产已有上百年历史，全球炼油化工催化剂主要供应商的产品种类繁多且性能优良，具有较强的市场竞争力，占据了中高端催化剂市场的大部分份额。随着国内炼油化工产业的发展，催化剂的国产化替代工作取得积极进展，但关键性指标及产品迭代速度与全球炼油化工催化剂主要供应商相比仍存在一定差距，贵金属催化剂、专用化学品生产用催化剂等高端产品主要依赖进口，国内催化剂企业仍需加快提升催化剂研发能力，开发先进制备工艺，提高催化剂质量与技术含量。
  炼油化工催化剂产业未来发展路径
  在当前“双碳”工作稳步开展和生态文明建设纵深推进的背景下，我国炼油化工行业加快绿色低碳、提质高效发展转型，催化材料与应用技术将发挥关键核心作用。随着国内经济稳中有进和科技创新加速突破，催化剂产业驶入高速增长的快车道，专业化、规模化的技术型企业不断涌现，已具备与国际公司同台竞技的条件，优势企业的产品质量已超过同类国外产品，甚至走向国际市场。在以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局下，国产化替代是大势所趋，炼油化工催化剂产业将迎来发展新机遇。
  未来催化剂发展趋势是进一步通过科技创新，在提高催化剂性能、拓展应用领域的同时，减少催化剂本身及催化反应对环境、安全和健康的不良影响。重点包括五个方面：
  一是开发化石资源高效转化用新型催化剂及催化技术，如单原子催化、靶向催化、接力催化、等级催化等，耦合等离子体、超重力、微化工等过程强化技术，大幅提高反应的原子经济性，实现高度专一性的化学反应。
  二是开发环境友好型催化剂替代对环境有害的催化剂，如固体酸碱催化剂替代无机酸、无机碱，并改进催化剂制备技术，例如不采用有机模板剂或采用低毒模板剂替代传统有机模板剂，以及无溶剂的方法制备分子筛，减少催化剂生产中有机废水和含氮废气的产生。
  三是围绕烷烃脱氢、二氧化碳化学转化、废弃高分子材料循环利用等新工艺，以及生物化工、电化学、不对称化学合成等新反应，开发相应的新型催化剂，加快形成技术突破与工业应用。
  四是利用先进的组合化学和高通量筛选技术，加快催化剂的筛选与开发，构建催化新材料，以及催化材料基因库。未来更先进、更复杂的人工智能系统和技术也将应用于催化材料的研制与生产，转变传统经验指导、试错研究的研发模式，推动催化新材料更加高效、快速开发。
  五是开展废催化剂回收利用，包括开发废弃金属与废弃金属氧化物催化剂的回收技术，以及湿法提磷+水热制备A型分子筛的甲醇制烯烃（MTO）废弃催化剂回收技术等，并针对市场需求开发小型废催化剂处理橇装设备，实现废弃催化剂资源化利用向绿色化、高效化发展。
  炼油化工催化剂主要产品性能特点
  炼油化工领域的催化剂种类有很多，每种催化剂都有着独特的应用领域和性能特点。
  催化裂化催化剂?催化裂化催化剂是炼油领域用量最大的催化剂，主要作用是将高分子烃分解成低分子烃，从而生产汽油、烯烃、液化气等高价值产品。目前主要采用分子筛类催化剂，其规则的晶格结构和均匀的孔径保证了高选择性和稳定性，提高汽油产率和辛烷值，尤其Y型分子筛具有优异的裂化性能，广泛用于催化裂化过程。全球主要催化裂化催化剂生产商格雷斯、巴斯夫、中国石化等持续优化分子筛及助剂结构与配方，开发高轻油收率、多产低碳烯烃、提高汽油辛烷值、降低稀土含量、汽油深度脱烯烃等系列催化剂，提高催化性能，降低生产成本。中国石化配套开发了DCC（深度催化裂化），CPP（催化热裂解），MIP（多产异构烷烃的催化裂化）等催化裂化新工艺，得到广泛应用。
  加氢催化剂?炼油过程中加氢催化剂主要用于脱除燃料油中硫、氮、重金属等污染物，通过加氢催化剂，对汽油和柴油进行深度脱硫，在不降低烯烃饱和度的情况下实现高辛烷值/十六烷值清洁燃料油的生产，保障车辆尾气达标排放。加氢催化剂还可用于加氢裂化过程，重质油发生催化裂化反应的同时伴有烃类加氢、异构化等反应，从而转化成质量较好的汽油、煤油和柴油等轻质油。加氢催化剂主要由过渡金属（铂、钯、镍等）或其氧化物，以及载体（氧化铝、活性炭等）组成，近年来开发了多种金属-分子筛双功能催化剂，兼具汽、柴油的加氢与改质性能，具有高效、低成本的优势。
  重整催化剂?重整催化剂主要用于将低辛烷值（RON40-60）石脑油转化为高辛烷值（RON90-100）汽油调和组分，或者将直链烷烃转化为芳烃，并副产氢气。重整催化剂通常由铂族金属、氧化物和载体组成，近年来采取调整载体结构、酸性和引入第三金属等方式以提高催化剂选择性，增加碳五+收率和氢气产率，降低催化剂积炭速率和提高装置处理量。全球连续重整催化剂主要供应商有霍尼韦尔UOP、阿克森斯和中国石化。
  异构化催化剂?异构化催化剂主要是将直馏汽油或重整抽余油中的直链烷烃转化为支链烷烃，从而提高汽油辛烷值。异构化催化剂通常由含有铂族金属的物质组成，以氧化铝或分子筛为载体，具有较高的异构化活性和选择性。全球异构化催化剂主要供应商有霍尼韦尔UOP、阿克森斯和中国石化。
  合成氨催化剂?传统H-B法合成氨过程以美国凯洛格公司工艺为代表，包括氢气与氮气制备、气体净化、氨合成等单元。氨合成过程主要采用铁基催化剂。由于氮气分子较难活化，合成氨通常需要高温、高压反应条件，造成能耗和碳排放较高。近年来人们积极开发低温低压合成氨工艺，其中高活性催化剂是关键，不仅需要高效活化氮气分子，而且要有利于中间物种及产物的进一步转化或脱附。目前研究进展较快的是铁钌接力催化剂及过渡金属-氢化锂双活性中心催化剂体系等，已经接近商业化应用水平。
  甲醇合成催化剂?工业上应用较广的中低压甲醇合成工艺，主要采用铜基或锌基催化剂。甲醇装置的大型化发展，对甲醇合成催化剂提出新的要求，不仅要具有较高的转化率和选择性，而且要具有良好的导热性。西南化工研究设计院研发的XNC-98-5催化剂已在大型甲醇装置上成功应用，实现了国内技术突破。随着绿色甲醇迎来发展新阶段，绿氢与二氧化碳进行加氢合成甲醇工艺成为催化剂研究的重点领域，可采用铜系氧化物、其他金属氧化物或硫化物等作为催化剂。丹麦托普索、德国鲁奇、英国庄信万丰等已掌握较为成熟的二氧化碳加氢催化剂技术，全球市场占有率约70%；国内相关催化剂研究总体处于小试或中试阶段。
  聚烯烃催化剂?聚烯烃催化剂结构决定了聚烯烃的结构，包括分子量及分布、共聚单体含量及分布、聚合物的规整度等。目前工业上主要采用齐格勒-纳塔型催化剂，全球供应商主要有美国巴塞尔、格雷斯，中国石化等，此类催化剂以氯化镁、二氧化硅等无机物为载体，在乙烯或丙烯聚合中通常加入电子化合物，以提高催化剂活性和立体选择性。近年来，茂金属和非茂金属等单活性中心催化剂得到快速发展，尤其茂金属催化剂是聚烯烃弹性体（POE）、环烯烃共聚物（COC/COP）等高端聚烯烃制造工艺的核心，其制备技术难度大，原料甲基铝氧烷（MAO）壁垒高，主要供应商是陶氏化学、埃克森美孚、道达尔等国外公司，国内高端茂金属催化剂依赖进口。
  聚酯催化剂?聚酯合成一般有酯化/缩聚和开环聚合（ROP）两种反应途径。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等芳香族或脂肪族聚酯合成通常采用酯化/缩聚工艺，以锑与钛系催化剂为主，尤其钛系催化剂具有常温不水解、不含重金属元素、活性高、添加量少等优点，是环境友好型聚酯催化剂；聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）等开环聚合过程最常用的是锡类催化剂，具有副反应少，合成的聚合物分子量高、分布窄，聚酯链结构易调控等优点。未来，聚酯催化体系将进一步减少锑、镍等重金属元素的使用，研究有机催化剂、离子液体等绿色催化剂的工业应用可能性，并结合聚酯合成工艺优化，开发高效、绿色的催化体系。