催化劑被譽(yù)為煉化工業(yè)的“芯片”。煉化工業(yè)領(lǐng)域90%的工藝過(guò)程都需要使用催化劑，煉化工業(yè)的發(fā)展很大程度上依賴催化劑的發(fā)展。幾十年間，我國(guó)煉化工業(yè)為解決十幾億人口的“衣、食、住、行”作出了重大貢獻(xiàn)，創(chuàng)造了令世界矚目的工業(yè)發(fā)展奇跡，催化劑技術(shù)功不可沒(méi)。近年來(lái)，我國(guó)催化劑技術(shù)逐漸達(dá)到或超過(guò)國(guó)際水平，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展加速推進(jìn)。未來(lái)，催化劑發(fā)展將進(jìn)一步通過(guò)科技創(chuàng)新，在提高催化劑性能、拓展應(yīng)用領(lǐng)域的同時(shí)，減少催化劑本身及催化反應(yīng)對(duì)環(huán)境、安全和健康的不良影響。
什么是催化劑？
催化劑在工業(yè)上又稱觸媒，是一類能改變反應(yīng)速度且在反應(yīng)中自身并不消耗的物質(zhì)。在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中，催化劑占據(jù)極其重要的地位，約90%的化工產(chǎn)品生產(chǎn)都使用催化劑，目的是加快反應(yīng)速率、提高生產(chǎn)效率。催化劑在工業(yè)上的應(yīng)用歷史可以追溯到19世紀(jì)末，從硫酸生產(chǎn)到氯堿工業(yè)，從合成氨到石油煉制、石油化工等，都發(fā)揮著重要作用，推動(dòng)了無(wú)機(jī)化工、石油煉制與化工、合成材料等行業(yè)的快速發(fā)展。
煉油化工催化劑有哪些種類？
煉油化工催化劑主要用于石油煉制及化工生產(chǎn)過(guò)程，品種繁多。按物理狀態(tài)可分為液體催化劑和固體催化劑；按反應(yīng)體系可分為均相催化劑和多相催化劑；按反應(yīng)類型可分為煉油催化劑（催化裂化、加氫、重整、異構(gòu)化等）、化學(xué)工藝催化劑（合成氨、甲醇合成、脫氫、氧化、羰基合成等）、聚合催化劑（用于生產(chǎn)聚烯烴、聚酯、聚苯乙烯等）；按作用可分為主催化劑和助催化劑。
煉油化工常用的催化劑有哪些類型？
絕大多數(shù)催化劑由活性組分（主催化劑）、載體和助催化劑組成。工業(yè)上常用的催化劑類型如下：
國(guó)內(nèi)外煉油化工催化劑市場(chǎng)現(xiàn)狀
據(jù)統(tǒng)計(jì)，2023年全球煉油化工催化劑市場(chǎng)價(jià)值約261.83億美元，比上年增長(zhǎng)約1.2%。隨著催化劑應(yīng)用領(lǐng)域的拓展及下游產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，未來(lái)全球催化劑市場(chǎng)規(guī)模將呈持續(xù)擴(kuò)大態(tài)勢(shì)。預(yù)計(jì)2023～2028年全球煉油化工催化劑市場(chǎng)年均復(fù)合增長(zhǎng)率為1.2%，2028年將達(dá)274.59億美元。
從地區(qū)分布看，我國(guó)和北美是全球煉油化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大、發(fā)展增速最快的國(guó)家和地區(qū)，因此煉油化工催化劑市場(chǎng)規(guī)模較大，合計(jì)價(jià)值占比超過(guò)50%。在2021年前后，我國(guó)煉油和乙烯產(chǎn)能均已超過(guò)美國(guó)，成為世界第一石化大國(guó)，煉油化工催化劑市場(chǎng)規(guī)模位居第一。
從應(yīng)用領(lǐng)域看，煉油催化劑占24%、化學(xué)工藝催化劑占35%、聚合催化劑占41%。其中，流化催化裂化（FCC）催化劑需求量最大，占比約81%；加氫裂化、加氫處理、加氫脫蠟等加氫催化劑占13%；石腦油重整和異構(gòu)化催化劑占4%；其他占2%。隨著全球清潔燃料需求增長(zhǎng)，汽柴油產(chǎn)品向降烯烴、低硫化方向發(fā)展，未來(lái)煉廠加氫處理催化劑需求量將進(jìn)一步增長(zhǎng)。在新的催化劑配方和工藝取得突破的前提下，輕質(zhì)石腦油異構(gòu)化逐漸成為提高汽油辛烷值的重要途徑之一，促進(jìn)了異構(gòu)化催化劑的消費(fèi)。此外，“油轉(zhuǎn)化”進(jìn)程加快，用于多產(chǎn)輕質(zhì)烯烴和芳烴的煉油催化劑（如深度催化裂化催化劑和重整催化劑）用量增速也將有所提升。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煉油化工催化劑產(chǎn)能超過(guò)65萬(wàn)噸/年，年產(chǎn)量44.6萬(wàn)噸，其中化學(xué)工藝催化劑市場(chǎng)規(guī)模增速最快。
全球煉油化工催化劑主要供應(yīng)商情況
全球煉油化工催化劑主要供應(yīng)商大致分為五類：第一類是擁有基礎(chǔ)原材料專屬或受控來(lái)源的公司，例如英國(guó)莊信萬(wàn)豐，是南非勒斯滕堡鉑金礦的唯一市場(chǎng)經(jīng)銷商，也是全球最主要的貴金屬分銷商之一，在貴金屬催化劑領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)；第二類是自身有大量催化劑需求的公司，例如日本觸媒（馬來(lái)酸酐和環(huán)氧乙烷的氧化催化劑）、巴斯夫（各種石化催化劑）、中國(guó)石化（多種煉油和石化生產(chǎn)催化劑）；第三類是擁有核心生產(chǎn)技術(shù)的公司，例如美國(guó)格雷斯（擁有先進(jìn)的二氧化硅合成與改性技術(shù)）和科萊恩（擁有成熟的分子篩技術(shù)）；第四類是選擇催化劑作為核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域并擁有專門制造廠的化工公司，例如贏創(chuàng)（用于精細(xì)化學(xué)品選擇加氫的金屬催化劑）、雅寶等；第五類是配套專有技術(shù)、為技術(shù)許可方供應(yīng)催化劑的技術(shù)公司和工程公司，例如霍尼韋爾UOP（MTO催化劑、連續(xù)重整以及甲苯歧化與烷基轉(zhuǎn)移催化劑）、阿克森斯（連續(xù)重整、選擇加氫與異構(gòu)化催化劑）和日本日揮觸媒化成等。
從產(chǎn)品種類、生產(chǎn)規(guī)模、綜合競(jìng)爭(zhēng)力水平看，全球煉油化工催化劑主要供應(yīng)商有美國(guó)格雷斯、陶氏化學(xué)、埃克森美孚、霍尼韋爾UOP，德國(guó)巴斯夫，英國(guó)莊信萬(wàn)豐，丹麥托普索，日本日揮觸媒化成，法國(guó)阿克森斯等。
國(guó)內(nèi)最大的催化劑供應(yīng)商是中國(guó)石化催化劑公司，擁有煉油化工催化劑生產(chǎn)裝置37套，產(chǎn)品涵蓋煉油、聚烯烴、有機(jī)原料、煤化工用催化劑、吸附劑及助劑六大類近300個(gè)品種，產(chǎn)能達(dá)到24萬(wàn)噸/年，占我國(guó)煉油化工催化劑產(chǎn)能比例超過(guò)1/3，其母公司中國(guó)石化是我國(guó)最大的催化劑消費(fèi)企業(yè)。中國(guó)石化多種催化劑產(chǎn)品還遠(yuǎn)銷歐洲、美洲、東南亞、非洲等國(guó)際市場(chǎng)。此外，我國(guó)還有中觸媒、撫順新瑞、淄博齊茂、凱達(dá)科技、北京高新利華等多家民營(yíng)催化劑公司。
總體上看，國(guó)外催化劑生產(chǎn)已有上百年歷史，全球煉油化工催化劑主要供應(yīng)商的產(chǎn)品種類繁多且性能優(yōu)良，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，占據(jù)了中高端催化劑市場(chǎng)的大部分份額。隨著國(guó)內(nèi)煉油化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，催化劑的國(guó)產(chǎn)化替代工作取得積極進(jìn)展，但關(guān)鍵性指標(biāo)及產(chǎn)品迭代速度與全球煉油化工催化劑主要供應(yīng)商相比仍存在一定差距，貴金屬催化劑、專用化學(xué)品生產(chǎn)用催化劑等高端產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)催化劑企業(yè)仍需加快提升催化劑研發(fā)能力，開發(fā)先進(jìn)制備工藝，提高催化劑質(zhì)量與技術(shù)含量。
煉油化工催化劑產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展路徑
在當(dāng)前“雙碳”工作穩(wěn)步開展和生態(tài)文明建設(shè)縱深推進(jìn)的背景下，我國(guó)煉油化工行業(yè)加快綠色低碳、提質(zhì)高效發(fā)展轉(zhuǎn)型，催化材料與應(yīng)用技術(shù)將發(fā)揮關(guān)鍵核心作用。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)中有進(jìn)和科技創(chuàng)新加速突破，催化劑產(chǎn)業(yè)駛?cè)敫咚僭鲩L(zhǎng)的快車道，專業(yè)化、規(guī)模化的技術(shù)型企業(yè)不斷涌現(xiàn)，已具備與國(guó)際公司同臺(tái)競(jìng)技的條件，優(yōu)勢(shì)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量已超過(guò)同類國(guó)外產(chǎn)品，甚至走向國(guó)際市場(chǎng)。在以國(guó)內(nèi)大循環(huán)為主體、國(guó)內(nèi)國(guó)際雙循環(huán)相互促進(jìn)的新發(fā)展格局下，國(guó)產(chǎn)化替代是大勢(shì)所趨，煉油化工催化劑產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)發(fā)展新機(jī)遇。
未來(lái)催化劑發(fā)展趨勢(shì)是進(jìn)一步通過(guò)科技創(chuàng)新，在提高催化劑性能、拓展應(yīng)用領(lǐng)域的同時(shí)，減少催化劑本身及催化反應(yīng)對(duì)環(huán)境、安全和健康的不良影響。重點(diǎn)包括五個(gè)方面：
一是開發(fā)化石資源高效轉(zhuǎn)化用新型催化劑及催化技術(shù)，如單原子催化、靶向催化、接力催化、等級(jí)催化等，耦合等離子體、超重力、微化工等過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)，大幅提高反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)高度專一性的化學(xué)反應(yīng)。
二是開發(fā)環(huán)境友好型催化劑替代對(duì)環(huán)境有害的催化劑，如固體酸堿催化劑替代無(wú)機(jī)酸、無(wú)機(jī)堿，并改進(jìn)催化劑制備技術(shù)，例如不采用有機(jī)模板劑或采用低毒模板劑替代傳統(tǒng)有機(jī)模板劑，以及無(wú)溶劑的方法制備分子篩，減少催化劑生產(chǎn)中有機(jī)廢水和含氮廢氣的產(chǎn)生。
三是圍繞烷烴脫氫、二氧化碳化學(xué)轉(zhuǎn)化、廢棄高分子材料循環(huán)利用等新工藝，以及生物化工、電化學(xué)、不對(duì)稱化學(xué)合成等新反應(yīng)，開發(fā)相應(yīng)的新型催化劑，加快形成技術(shù)突破與工業(yè)應(yīng)用。
四是利用先進(jìn)的組合化學(xué)和高通量篩選技術(shù)，加快催化劑的篩選與開發(fā)，構(gòu)建催化新材料，以及催化材料基因庫(kù)。未來(lái)更先進(jìn)、更復(fù)雜的人工智能系統(tǒng)和技術(shù)也將應(yīng)用于催化材料的研制與生產(chǎn)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)、試錯(cuò)研究的研發(fā)模式，推動(dòng)催化新材料更加高效、快速開發(fā)。
五是開展廢催化劑回收利用，包括開發(fā)廢棄金屬與廢棄金屬氧化物催化劑的回收技術(shù)，以及濕法提磷+水熱制備A型分子篩的甲醇制烯烴（MTO）廢棄催化劑回收技術(shù)等，并針對(duì)市場(chǎng)需求開發(fā)小型廢催化劑處理橇裝設(shè)備，實(shí)現(xiàn)廢棄催化劑資源化利用向綠色化、高效化發(fā)展。
煉油化工催化劑主要產(chǎn)品性能特點(diǎn)
煉油化工領(lǐng)域的催化劑種類有很多，每種催化劑都有著獨(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域和性能特點(diǎn)。
催化裂化催化劑 催化裂化催化劑是煉油領(lǐng)域用量最大的催化劑，主要作用是將高分子烴分解成低分子烴，從而生產(chǎn)汽油、烯烴、液化氣等高價(jià)值產(chǎn)品。目前主要采用分子篩類催化劑，其規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)和均勻的孔徑保證了高選擇性和穩(wěn)定性，提高汽油產(chǎn)率和辛烷值，尤其Y型分子篩具有優(yōu)異的裂化性能，廣泛用于催化裂化過(guò)程。全球主要催化裂化催化劑生產(chǎn)商格雷斯、巴斯夫、中國(guó)石化等持續(xù)優(yōu)化分子篩及助劑結(jié)構(gòu)與配方，開發(fā)高輕油收率、多產(chǎn)低碳烯烴、提高汽油辛烷值、降低稀土含量、汽油深度脫烯烴等系列催化劑，提高催化性能，降低生產(chǎn)成本。中國(guó)石化配套開發(fā)了DCC（深度催化裂化），CPP（催化熱裂解），MIP（多產(chǎn)異構(gòu)烷烴的催化裂化）等催化裂化新工藝，得到廣泛應(yīng)用。
加氫催化劑 煉油過(guò)程中加氫催化劑主要用于脫除燃料油中硫、氮、重金屬等污染物，通過(guò)加氫催化劑，對(duì)汽油和柴油進(jìn)行深度脫硫，在不降低烯烴飽和度的情況下實(shí)現(xiàn)高辛烷值/十六烷值清潔燃料油的生產(chǎn)，保障車輛尾氣達(dá)標(biāo)排放。加氫催化劑還可用于加氫裂化過(guò)程，重質(zhì)油發(fā)生催化裂化反應(yīng)的同時(shí)伴有烴類加氫、異構(gòu)化等反應(yīng)，從而轉(zhuǎn)化成質(zhì)量較好的汽油、煤油和柴油等輕質(zhì)油。加氫催化劑主要由過(guò)渡金屬（鉑、鈀、鎳等）或其氧化物，以及載體（氧化鋁、活性炭等）組成，近年來(lái)開發(fā)了多種金屬-分子篩雙功能催化劑，兼具汽、柴油的加氫與改質(zhì)性能，具有高效、低成本的優(yōu)勢(shì)。
重整催化劑 重整催化劑主要用于將低辛烷值（RON 40-60）石腦油轉(zhuǎn)化為高辛烷值（RON 90-100）汽油調(diào)和組分，或者將直鏈烷烴轉(zhuǎn)化為芳烴，并副產(chǎn)氫氣。重整催化劑通常由鉑族金屬、氧化物和載體組成，近年來(lái)采取調(diào)整載體結(jié)構(gòu)、酸性和引入第三金屬等方式以提高催化劑選擇性，增加碳五+收率和氫氣產(chǎn)率，降低催化劑積炭速率和提高裝置處理量。全球連續(xù)重整催化劑主要供應(yīng)商有霍尼韋爾 UOP、阿克森斯和中國(guó)石化。
異構(gòu)化催化劑 異構(gòu)化催化劑主要是將直餾汽油或重整抽余油中的直鏈烷烴轉(zhuǎn)化為支鏈烷烴，從而提高汽油辛烷值。異構(gòu)化催化劑通常由含有鉑族金屬的物質(zhì)組成，以氧化鋁或分子篩為載體，具有較高的異構(gòu)化活性和選擇性。全球異構(gòu)化催化劑主要供應(yīng)商有霍尼韋爾UOP、阿克森斯和中國(guó)石化。
合成氨催化劑 傳統(tǒng)H-B法合成氨過(guò)程以美國(guó)凱洛格公司工藝為代表，包括氫氣與氮?dú)庵苽洹怏w凈化、氨合成等單元。氨合成過(guò)程主要采用鐵基催化劑。由于氮?dú)夥肿虞^難活化，合成氨通常需要高溫、高壓反應(yīng)條件，造成能耗和碳排放較高。近年來(lái)人們積極開發(fā)低溫低壓合成氨工藝，其中高活性催化劑是關(guān)鍵，不僅需要高效活化氮?dú)夥肿樱乙欣谥虚g物種及產(chǎn)物的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化或脫附。目前研究進(jìn)展較快的是鐵釕接力催化劑及過(guò)渡金屬-氫化鋰雙活性中心催化劑體系等，已經(jīng)接近商業(yè)化應(yīng)用水平。
甲醇合成催化劑 工業(yè)上應(yīng)用較廣的中低壓甲醇合成工藝，主要采用銅基或鋅基催化劑。甲醇裝置的大型化發(fā)展，對(duì)甲醇合成催化劑提出新的要求，不僅要具有較高的轉(zhuǎn)化率和選擇性，而且要具有良好的導(dǎo)熱性。西南化工研究設(shè)計(jì)院研發(fā)的XNC-98-5催化劑已在大型甲醇裝置上成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)技術(shù)突破。隨著綠色甲醇迎來(lái)發(fā)展新階段，綠氫與二氧化碳進(jìn)行加氫合成甲醇工藝成為催化劑研究的重點(diǎn)領(lǐng)域，可采用銅系氧化物、其他金屬氧化物或硫化物等作為催化劑。丹麥托普索、德國(guó)魯奇、英國(guó)莊信萬(wàn)豐等已掌握較為成熟的二氧化碳加氫催化劑技術(shù)，全球市場(chǎng)占有率約70%；國(guó)內(nèi)相關(guān)催化劑研究總體處于小試或中試階段。
聚烯烴催化劑 聚烯烴催化劑結(jié)構(gòu)決定了聚烯烴的結(jié)構(gòu)，包括分子量及分布、共聚單體含量及分布、聚合物的規(guī)整度等。目前工業(yè)上主要采用齊格勒-納塔型催化劑，全球供應(yīng)商主要有美國(guó)巴塞爾、格雷斯，中國(guó)石化等，此類催化劑以氯化鎂、二氧化硅等無(wú)機(jī)物為載體，在乙烯或丙烯聚合中通常加入電子化合物，以提高催化劑活性和立體選擇性。近年來(lái)，茂金屬和非茂金屬等單活性中心催化劑得到快速發(fā)展，尤其茂金屬催化劑是聚烯烴彈性體（POE）、環(huán)烯烴共聚物（COC/COP）等高端聚烯烴制造工藝的核心，其制備技術(shù)難度大，原料甲基鋁氧烷（MAO）壁壘高，主要供應(yīng)商是陶氏化學(xué)、埃克森美孚、道達(dá)爾等國(guó)外公司，國(guó)內(nèi)高端茂金屬催化劑依賴進(jìn)口。
聚酯催化劑 聚酯合成一般有酯化/縮聚和開環(huán)聚合（ROP）兩種反應(yīng)途徑。聚對(duì)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/縮聚工藝，以銻與鈦系催化劑為主，尤其鈦系催化劑具有常溫不水解、不含重金屬元素、活性高、添加量少等優(yōu)點(diǎn)，是環(huán)境友好型聚酯催化劑；聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）等開環(huán)聚合過(guò)程最常用的是錫類催化劑，具有副反應(yīng)少，合成的聚合物分子量高、分布窄，聚酯鏈結(jié)構(gòu)易調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)。未來(lái)，聚酯催化體系將進(jìn)一步減少銻、鎳等重金屬元素的使用，研究有機(jī)催化劑、離子液體等綠色催化劑的工業(yè)應(yīng)用可能性，并結(jié)合聚酯合成工藝優(yōu)化，開發(fā)高效、綠色的催化體系。
