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國內(nèi)外稀土催化領(lǐng)域現(xiàn)狀淺析

李錦峰 2019-08-02 2483 0

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大數(shù)據(jù)治理

全面提升數(shù)據(jù)價值

賦能業(yè)務(wù)提質(zhì)增效

鑭、鈰和鐠等元素具有獨特的4f電子層結(jié)構(gòu),在化學反應(yīng)中具有良好的助催化作用,因此被用作優(yōu)良的添加劑和助催化劑。在工業(yè)應(yīng)用中主要有分子篩稀土催化材料、稀土鈣鈦礦催化材料和鈰鋯固溶體催化材料等三類材料,用于石油裂變催化和環(huán)保催化等。受全球經(jīng)濟環(huán)境影響,國內(nèi)稀土催化材料發(fā)展升級,由質(zhì)量增長逐步轉(zhuǎn)型為質(zhì)量提升。

摘要:鑭、鈰和鐠等元素具有獨特的4f電子層結(jié)構(gòu),在化學反應(yīng)中具有良好的助催化作用,因此被用作優(yōu)良的添加劑和助催化劑。在工業(yè)應(yīng)用中主要有分子篩稀土催化材料、稀土鈣鈦礦催化材料和鈰鋯固溶體催化材料等三類材料,用于石油裂變催化和環(huán)保催化等。受全球經(jīng)濟環(huán)境影響,國內(nèi)稀土催化材料發(fā)展升級,由質(zhì)量增長逐步轉(zhuǎn)型為質(zhì)量提升。


稀土催化材料是添加鑭、鈰和鐠等輕稀土的化合物,通過深加工作為助劑和添加劑,常用方法有機械混合法、共沉淀法、溶膠-凝膠法、微乳液法等。下游應(yīng)用領(lǐng)域包括石化、環(huán)保、材料合成、新能源和燃燒催化等領(lǐng)域,目前主要應(yīng)用在石油催化裂化(FCC)和機動車尾氣處理領(lǐng)域,如圖1所示。2018年國內(nèi)石油裂化催化劑產(chǎn)量20萬噸,機動車尾氣凈化催化劑產(chǎn)量5600萬升。

  圖1 稀土催化劑產(chǎn)業(yè)鏈

 ?。ㄙY料來源:公開資料,五度易鏈行業(yè)研究中心)

稀土助劑意義在于提高催化劑活性,降低成本

稀土在現(xiàn)代工業(yè)中很少用作主體催化劑,主要以助劑或催化劑的一種活性組分承擔其催化功能。稀土助催化劑從結(jié)構(gòu)和成分上分為三類,分子篩稀土催化劑、鈣鈦礦催化材料和鈰鋯固氧體催化材料,如圖2所示。分子篩催化劑在摻入輕稀土材料鑭和鈰之后可以大幅提高其活性,國內(nèi)主要應(yīng)用于石油裂化催化領(lǐng)域,在實際使用中,稀土分子篩材料將原油轉(zhuǎn)化率由35%~40%提高到70~80%,汽油產(chǎn)率會提高7~13%,同時能加工大量的劣質(zhì)渣油。鈣鈦礦催化材料和鈰鋯固氧體催化材料主要應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域中的機動車尾氣催化領(lǐng)域。傳統(tǒng)的貴金屬(鉑、鈀、銠)催化劑在低溫環(huán)境下催化性能良好,但在高溫時易燒結(jié),失活,抗中毒能力差(鉛、鎘 )而且貴金屬產(chǎn)量有限,價格高昂,輕稀土作為助劑能夠有效解決此類問題。機動車尾氣主要處理的成分有CO,NOX和碳氫化合物,目前稀土催化劑在CO和碳氫化合物催化效果良好,但在NOX方面差距較大,目前在機動車尾氣領(lǐng)域,貴金屬仍承擔主催化劑。與產(chǎn)量有限,價格高昂的貴金屬相比,輕稀土物美價廉。從2018年至2019年7月中旬氧化鑭、氧化鈰價格保持在12200-14200元/噸,并呈下降趨勢。

  圖2 稀土催化材料在主要工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域概況圖

 ?。ㄙY料來源:公開資料,五度易鏈行業(yè)研究中心)

國內(nèi)稀土助劑應(yīng)用比例小,機動車尾氣領(lǐng)域應(yīng)用差距大

從全球范圍看,稀土功能性材料中催化領(lǐng)域占比最高19%,而我國稀土催化領(lǐng)域僅5%,如圖3所示,總體上比例仍然存在不小的差距(考慮到石化領(lǐng)域中一部分也是催化材料的應(yīng)用,即使加上石化領(lǐng)域仍然有差距),主要原因除了我國磁材行業(yè)發(fā)達外,稀土催化領(lǐng)域尤其是機動車尾氣領(lǐng)域與國外差距較大。機動車尾氣催化器本質(zhì)是一系列化工材料的綜合體,由催化劑載體、涂層、催化劑助劑和活性成分四部分組成,稀土材料充當助劑和提高活性的組分。目前國內(nèi)機動車尾氣領(lǐng)域由三巨頭(德國巴斯夫占27%、比利時優(yōu)科美占19%、英國莊信萬豐占26%)把控72%的市場,此外美國格雷斯、日本NGK也占有一定市場份額,國內(nèi)汽車尾氣領(lǐng)域主要的企業(yè)貴研鉑業(yè)、中自催化、威孚力達等競爭力不足,背后原因主要是缺乏催化材料核心技術(shù)(助劑和活性成分)。隨著國Ⅵ標準的出臺,新標準在國V標準排放廢氣的基礎(chǔ)上加嚴30%,貴金屬、稀土助劑等材料需求量增長超過100%,催化材料的需求缺口將會更大?,F(xiàn)我國已經(jīng)開發(fā)出滿足國Ⅵ標準的稀土催化集成技術(shù),將會刺激更多的企業(yè)在汽車尾氣領(lǐng)域加大研發(fā)投入。

  圖3 全球各國稀土消費對比和中國稀土消費結(jié)構(gòu)

 ?。ㄙY料來源:中國稀土業(yè)協(xié)會,五度易鏈行業(yè)研究中心)

中石化稀土專利申請獨居榜首,國內(nèi)外石油裂化領(lǐng)域差距小

從專利方面看,我國在稀土方面的專利申請較晚,但是隨著對專利的重視程度提升,國家對技術(shù)創(chuàng)新和專利保護力度的加強,國內(nèi)申請專利數(shù)量從1996年以后開始大量增加,如表1所示。截止到2019年7月31日,全球各大公司的稀土專利排行中,中國石化以2904件專利申請排行第1,并且集中在稀土催化領(lǐng)域。2015-2018年國內(nèi)每年石油裂化催化劑產(chǎn)量保持在20萬噸左右,并且催化效率在不斷提升,因此原油加工量也連續(xù)上升,2015原油加工量5.22億噸,2018年已達到6.03億噸,如圖4所示。目前中石化等公司的催化裂化技術(shù)已經(jīng)步入世界一流,國內(nèi)外石油裂化領(lǐng)域差距縮小。

  表1 全球稀土專利數(shù)量排行

 ?。ㄙY料來源:專利匯,五度易鏈行業(yè)研究中心)

  圖4 2015-2018年國內(nèi)原油加工量與增長速度

 ?。ㄙY料來源:工信部,五度易鏈行業(yè)研究中心)

結(jié)語

稀土催化材料在石油裂化,汽車尾氣領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,輕稀土鑭、鈰、鐠可以提高稀土催化劑的活性,耐溫性和抗中毒能力,并且能降低整體成本。近年來國內(nèi)以中石化為代表的的公司在稀土催化領(lǐng)域申請專利數(shù)量快速增加,國內(nèi)石油裂化技術(shù)工藝與國外差距逐漸縮小,但是由于缺乏核心催化材料技術(shù),我國在機動車尾氣領(lǐng)域競爭力不足。


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