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分子筛行业研究:技术壁垒高、行业成长快、国产替代空间大

发布日期:2022/6/22 23:31:58 浏览:474

,包含常减压、催化裂化、加氢裂化等装置。分子筛已成为炼油过程中广泛使用的吸附剂之一,广泛应用于液化石油气(LPG)的干燥和脱硫、石脑油和煤油的干燥、烷基化原料的干燥、炼厂气的干燥、对原料和再生氢气的干燥和净化等过程,从而有助于获得杂质含量更低的产品、降低酸消耗、防止下游设备的腐蚀,滤除从催化剂中再生出来的氯和防止重整气体在深冷加工时发生管线冻堵。

在石油化工领域,分子筛吸附剂可用作干燥剂,对乙烯、苯乙烯等物料进行有效脱水,从而获得高纯度的化工原料,提升化工产品的质量;同时分子筛还可帮助去除众多工艺过程中的微量污染物,可用于硫、氮混合,氧化工艺,汞处理工艺,溶剂、共聚单体处理等工艺中。

分子筛可有效除去天然气中的酸性气体及水蒸气。天然气在自然形成和开采过程中会形成的不同浓度硫化氢气体,该气体是一种无色的剧毒性气体;另外从油气田中提取出来的天然气含有一定量的水,天然气中酸性物质(如H2S、CO2)和水结合形成酸性溶液,很容易导致管道传输速度降低,并且会腐蚀管道,因此CO2、H2S及水蒸气的脱除是天然气净化过程的必要环节。分子筛脱硫法在当下天然气脱硫中应用较为广泛,工业化程度较高,这种方法通常用于一些含硫量比较低的天然气中,在实际应用中当天然气水分含量较高时,为保障分子筛脱硫质量,可采用三甘醇脱水与分子筛脱硫工艺相结合的方式,进而切实落实天然气的有效净化。

吸附式制冷系统常用分子筛吸附剂。吸附式制冷具有结构简单、无运动部件、噪卢低、寿命长等特点,能有效利用低品位热能(如工业余热、发动机尾气、太阳能等),同时不使用氟利昂类制冷剂,对环境友好,日益受到重视。装有吸附剂的吸附床是吸附式制冷系统的核心,其换热性能对系统的运行性能影响较大,这是因为吸附床换热系数直接影响吸附床的升温与降温速率,对于同样的热源和冷源温度,如果吸附床的换热性能好则吸附床的吸附容差大,制冷功率就大,因此吸附床的强化传热是吸附式制冷研究的重要内容之一。沸石分子筛是常用的吸附剂,可以与水、氨组成吸附工质对,将随着空调、冰箱等制冷家电需求提升逐渐增长。

分子筛对于中空玻璃的质量和使用寿命至关重要。中空玻璃具有较好的隔热、隔声、防结露的性能,近年来受到建筑行业的欢迎,2021年我国中空玻璃产量1.59亿平方米,同比增长8.90。干燥剂是中空玻璃的核心构件之一.主要用来保持中空玻璃内部空气层的干燥,避免中空玻璃内部出现结雾。目前全球95%以上的中空玻璃采用3A分子筛作干燥剂,主要作用为:(1)吸附中空玻璃制作时内腔密封空气层中的水分;(2)吸附后期通过密封胶向中空玻璃内部渗透的水份,保证中空玻璃使用期间不出现结雾、结霜等现象,避免中空玻璃失效;(3)与其它特种分子筛联合使用,吸附中空玻璃内部空气层中密封胶所释放的挥发组份,避免化学雾的产生。

三、分子筛催化剂附加值高,未来发展空间更广阔

1、我国催化剂行业进口依赖度高,国产替代空间大

催化剂是影响化学反应的重要媒介,分子筛催化剂重要品种之一。约有90以上的工业过程涉及催化剂使用,包括化工、石化、生化、环保等多个领域。按照反应体系相态划分,催化剂可以分为均相催化剂和多相催化剂,其中多相催化剂有固体酸催化剂、有机碱催化剂、金属催化剂、金属氧化物催化剂、络合物催化剂、稀土催化剂、分子筛催化剂、纳米催化剂等。大部分催化剂由活性组分、承载活性组分的载体以及提高催化性能的助催化剂组成,一种成功的商业化的催化剂产品需要经历大量的试验筛选,涉及金属、化合物、促进剂、载体等,并且商业化成功的催化剂产品作为企业或科研机构的核心“know-how”,部分催化剂产品存在垄断现象。

催化剂在下游行业中作用关键且成本占比较低,属于高附加值产品。典型煤制烯烃项目或外购甲醇制烯烃项目中,催化剂相关化学品占生产成本的比重仅为4~8,下游生产企业更加注重催化剂性能,对产品价格接受度高。催化剂性能目标包括其反应活性、收率、稳定性和使用寿命等,并且随着人们对生态环境和健康认知程度的提升,对催化剂的可持续发展性能,例如绿色化、零排放、环境相容性等指标也变得更加重要。

分子筛催化剂是以分子筛作为活性组分或载体的催化剂。分子筛催化剂又称沸石催化剂,其具有独特而均一的孔道结构、较大的比表面积、较强的酸中心和氧化-还原活性中心、孔道内有能起极化作用的强大库仑场,因此分子筛是性能优异的催化剂和催化剂载体。不同晶型的分子筛载体对不同活性组分及助催化剂有担载选择性,根据不同分子筛的特性,能够进一步加工生产成为不同用途的催化剂;同一种晶型的分子筛也能够进行不同改性处理后适用于不同的催化反应过程。分子筛催化剂作为固体催化剂,易于回收处理,且无毒无味、无腐蚀性,是环境友好型的新型催化材料。

高性能是分子筛催化剂进行催化的最基本的要求和目标。分子筛的催化特性对催化反应的催化活性要求很高。催化活性要求分子筛的比表面积大、孔的分布要求要均匀、且孔的直径要可调解,同时分子筛结构要稳定、机械强度高、热稳定性要很好,活化再生后要可重复使用。此外,分子筛催化剂的高效催化特性对沸石分子筛材料、催化材料与反应工艺、反应工程系统的结合方式等方面提出了更多的要求。

分子筛催化剂产品种类较多,主要用于环保和化工等领域。按孔径大小分类,分子筛催化剂可以分为微孔分子筛、介孔分子筛、大孔分子筛三种,其中微孔分子筛具有强酸性和高水热稳定性,但因为孔径非常小,导致扩散阻力大;介孔分子筛具有比表面积高、吸附容量大、孔径大的特性,缺陷是酸性较弱。按照微观骨架结构分类,分子筛催化剂可以分为BEA结构、CHA结构、AEI结构、MFI结构等多种类型分子筛,而同种骨架结构下的分子筛又可划分为不同种类,如CHA结构分子筛包括SSZ-13分子筛、SAPO-34分子筛等。按照应用领域分类,分子筛催化剂可以分为环保催化分子筛(汽车尾气催化分子筛)、石油化工催化分子筛和煤化工催化分子筛。

我国催化剂行业整体进口依赖度高,是全球分子筛催化剂市场最大的国家之一。催化剂产品的生产技术具有多学科、相互渗透、交叉应用的特点,生产工艺复杂,技术难度高。由于我国催化剂产业相比国外企业存在较大差距,国际大型化工企业拥有先进催化剂的知识产权与工业化生产能力,因此我国环保、能源化工及精细化工行业对于国外催化剂的进口依赖较为严重。2020年我国催化剂行业进出口总额25.03亿美元,其中出口总额5.52亿美元,贸易逆差达到13.99亿美元。分子筛催化剂在北美地区和中国的消费量分别为12.4万吨和10.2万吨,全球占比分别为38、32,不同分子筛催化剂价格差异较大。

分子筛催化剂国产替代将成为我国催化剂行业重要发展趋势。近年来,随着我国经济结构调整进程逐步深化和对关键领域自主知识产权重视程度的提升,已经涌现出了一批具备较强科研与生产能力的催化剂研发制造企业,其产品已实现进口替代并逐步得到市场认可,部分产品在国际市场上也具备较强的竞争力。在较长时间内,催化剂产品的国产替代过程将成为我国催化剂行业发展的主要趋势。

国家政策鼓励和支持分子筛催化剂相关产品技术开发。由于分子筛催化剂行业主要被国外厂商垄断,故而国家对相关技术存在支持政策,主要包括:《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》明确把石油化工、精细化工及催化、分离材料列入优先发展主题中;《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南(2011年度)》明确优先发展加氢裂化催化剂和相关技术;《新材料产业”十二五”发展规划》把“石油裂化催化材料”作为重点项目之一;《产业结构调整指导目录(2019年本)》将环保催化剂和助剂列为鼓励类等。(报告来源:未来智库)

2、传统行业市场需求空间大,国六领域需求增速快

分子筛催化剂传统市场以炼油和化工行业为主,尾气脱销等环保领域快速发展。分子筛作为一类无机非金属多孔晶体材料,具有“筛分分子”和“择形催化”的作用,能有效分离和选择性活化不同的分子及有机烃类分子。能源化工及精细化工行业可被细分为石油化工行业、炼油行业和煤化工三个行业;其中精细化工行业为石油化工的下游延伸,主要提供附加值较高、与终端产品关联度较大的化工产品。由于分子筛的特性,工业上常被用作催化材料,吸附分离(多组分气体分离与净化)材料以及分离交换材料中的主要活性成分,广泛应用于石油化工、煤化工、精细化工、冶金、建材、环境保护(包括核废水、核废气处理)、土壤修复与治理等领域。

(1)ZSM-35分子筛及催化剂主要应用于烯烃异构化反应。其主要作为异丁烯生产过程中的催化剂。异丁烯下游产品包括多种农药、染料、香料、汽油添加剂、医药中间体、日化用品、有机玻璃等。烯烃异构化催化剂性将显著影响异丁烯的收率与选择性,是异构化法生产异丁烯的关键。

(2)ZSM-5分子筛为石油化工领域的重要分子筛之一。其在柴油临氢降凝、加氢裂化、催化裂化、择形催化、低烃烷基化、异构化、芳构化、脱蜡降凝等领域均具备广阔的应用前景,主要作为吡啶及吡啶下游产品生产过程中的催化剂。吡啶是目前用途开发最多的杂环化合物之一,用途广泛,深加工前景广阔。

(3)Y型、β分子筛及催化剂主要应用于石油化工行业中催化裂化、加氢裂化的反应环节。炼油工艺和设备的改进速度落后于需求变化,使得炼油行业对于催化剂的更新迭代提出了更高要求,炼油行业中常用分子筛及催化剂如Y分子筛、β分子筛等催化剂产品的研发升级与质量改进则成为目前炼油行业的重要关注点。

我国炼油催化剂处于世界先进水平,石油化工催化剂仍有提升空间。炼油催化剂一般可分为催化裂化催化剂、催化重整催化剂、加氢精制催化剂与加氢裂化催化剂四类,催化剂技术为实现原油高效转化和清洁利用的关键核心技术;炼油催化剂主要由基质和活性组分组成,其中的活性组分主要为分子筛。2017-2020年全球炼油催化剂需求量年均增长3.6,其中催化裂化催化剂占全球炼油催化剂市场40。随着全球范围内原油的重质化、劣质化、高质量轻质油品需求量的增加、环保法规的实施以及要求装置多产烯烃等化工品,催化剂在炼油过程中的地位越来越重要。目前巴斯夫、美国格瑞斯公司已经开始研发多产丁烯助剂用于流化催化裂化催化剂,我国主要厂家催化剂产品已经具备与国际知名化工企业产品竞争的实力。石油化工行业中超过90的反应均需要催化剂参与,石油化工行业对催化剂的需求占整个工业催化剂需求近70。我国石油化工领域催化剂在技术和规模方面与国外差距较大,大部分企业从事低端催化剂生产。我国石油化工产业快速发展,催化剂是行业高质量发展的重要保证,未来市场规模将持续提升。

钛硅分子筛催化剂主要应用于烯烃环氧化与酮氨肟化两个过程,主要用于己内酰胺和环氧丙烷生产。以钛为活性中心的分子筛具有优异的催化氧化性能,在以过氧化氢或烷基过氧化氢为氧化剂时,能够参与烯烃的环氧化、芳烃羟基化、醛酮氨肟化、烷烃氧化等许多重要的反应,被普遍认为是环境友好的绿色催化剂。

(1)己内酰胺是尼龙-6切片的重要原料,近几年国内尼龙6产业链持续扩产,我国己内酰胺制备方法主要为氨肟化法(HAO法)和硫酸羟胺法(HPO法),其中氨肟化法更符合绿色化工的要求,对于原子的完全利用率更高,有着更好的发展前景与技术优势。目前兰花科技、巴陵石化、山西潞宝等多数企业己内酰胺生产均采用氨肟化法。氨肟化法使用钛硅分子筛作为催化剂,经过长期发展,目前已能够实现国产化供应。

(2)环氧丙烷是石油化工行业重要中间体,下游主要产品有聚醚多元醇、丙二醇及碳酸二甲酯、丙二醇醚等。国内制备环氧丙烷生产工艺主要有氯醇法、共氧化法、直接氧化法(HPPO)等,其中氯醇法占比超过50,但由于存在设备腐蚀严重、生产污水量大等问题,2015年起禁止新建氯醇法装置,HPPO法工艺需要使用钛硅分子筛催化剂。2021年我国环氧丙烷产能539万吨/年、产量370万吨,未来行业新建产能将以HPPO法为主。

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