煤制烯烴技術(shù)這樣攻克

乙烯、丙烯等烯烴是重要的有機化工原料，在工業(yè)、農業(yè)、醫藥、環(huán)保等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。塑料、合成橡膠、纖維、醫藥品原料、農藥、涂料等，大部分品種的重要原料都是烯烴。

在化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域，主流方法一直是通過(guò)石油加工生產(chǎn)乙烯、丙烯等烯烴原料。

“富煤貧油少氣的基本國情，決定了我們不能走完全依賴(lài)石油制烯烴的道路。”中國工程院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所所長(cháng)劉中民說(shuō)。

從上世紀80年代起，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)大連化物所)的科研人員開(kāi)始探索研究煤制烯烴技術(shù)。此后，經(jīng)過(guò)幾代科研人員近40年的接續攻關(guān)，聯(lián)合工程公司終于成功開(kāi)發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的甲醇制烯烴專(zhuān)利工藝技術(shù)(DMTO)成套工業(yè)化技術(shù)，開(kāi)辟了非石油資源生產(chǎn)烯烴的新路線(xiàn)，實(shí)現了世界上煤制烯烴工業(yè)化“零”的突破。

承擔重任，挑戰世界級課題

20世紀70年代，由于全球石油危機導致石油價(jià)格大幅攀升，人們對烯烴原料來(lái)源產(chǎn)生擔憂(yōu)。

科學(xué)家想到一種方法：首先以煤炭或天然氣為原料合成甲醇，再用甲醇制取烯烴。一些國家相繼啟動(dòng)以煤代油的科技攻關(guān)計劃。立足富煤貧油少氣的國情，中國的科研人員們也行動(dòng)起來(lái)。1981年，甲醇制取烯烴被列為中國科學(xué)院的重點(diǎn)課題，大連化物所承擔了這一重任。

“那時(shí)，煤合成甲醇已經(jīng)有了成熟的工業(yè)技術(shù)，而甲醇制烯烴則是待攻克的關(guān)鍵核心技術(shù)，也是世界范圍內極具挑戰性的課題。”劉中民說(shuō)。

“以煤代油”關(guān)系到我國經(jīng)濟長(cháng)期穩定發(fā)展和能源安全，再難也得上。大連化物所迅速成立了以陳國權研究員和梁娟研究員為正副組長(cháng)的研究小組。1983年，19歲的劉中民進(jìn)入大連化物所攻讀碩士研究生，隨即加入到團隊當中。

一切從實(shí)驗室起步。

“首先要闖的一道難關(guān)是研制催化劑，有了催化劑才能將甲醇轉化為烯烴。”劉中民說(shuō)。

當時(shí)，有ZSM—5分子篩催化劑和SAPO—34分子篩催化劑兩條技術(shù)路線(xiàn)。前者已有工業(yè)應用的例子，風(fēng)險相對較小，而SAPO—34分子篩催化劑的工業(yè)應用潛力，還需要進(jìn)一步研究。權衡考慮之后，研究團隊最終決定“兩條腿走路”。

經(jīng)過(guò)幾年夜以繼日的奮戰，團隊在國內首先合成了ZSM—5型沸石分子篩，向實(shí)現甲醇制烯烴的戰略目標邁出了第一步。之后，研究人員乘勝前進(jìn)，先后完成了3噸/年規模沸石放大合成、4—5噸/年規模的催化劑放大設備，以及日處理量1噸甲醇規模的甲醇制烯烴固定床反應系統和全部外圍設備，并在1993年完成了中試。

隨著(zhù)研究的深入，科研人員發(fā)現，SAPO—34分子篩催化劑可大幅提高烯烴產(chǎn)率，工業(yè)應用前景更好。1995年，團隊采用自己首創(chuàng )的合成氣經(jīng)由二甲醚制烯烴新工藝方法，完成百?lài)嵓壷性囋囼?。試驗結果很好，項目被中國科學(xué)院授予中國科學(xué)院科技進(jìn)步獎特等獎。

原本以為項目就此會(huì )順利推進(jìn)，沒(méi)想到“突變”而至：國際油價(jià)大幅下跌，一度跌至不足10美元/桶。

“這樣一來(lái)，與石油制烯烴相比，煤炭制烯烴的成本太高，因此，企業(yè)對煤炭替代石油生產(chǎn)烯烴項目的積極性并不高。”劉中民說(shuō)。在一段時(shí)期內，研究因資金短缺陷入僵局。

工業(yè)應用，實(shí)現“零”的突破

化工行業(yè)不同于其他領(lǐng)域，一個(gè)新工藝過(guò)程繞不開(kāi)逐級放大，從實(shí)驗室到中試再到工業(yè)示范，最后才能產(chǎn)業(yè)化。這個(gè)過(guò)程需要大量的資金。

怎么辦?

劉中民不想放棄，他堅信對于國家，這項研究的意義重大而深遠。于是，在推動(dòng)技術(shù)研發(fā)的同時(shí)，他開(kāi)始四處尋找投資，盼望與企業(yè)聯(lián)合開(kāi)發(fā)。

“當時(shí)壓力很大。”劉中民坦言，“如何讓企業(yè)理解我們的技術(shù)前景和潛在優(yōu)勢，說(shuō)服他們支持建設萬(wàn)噸級工業(yè)性試驗裝置，在放大中驗證和完善技術(shù)，對我們這些專(zhuān)于科研的人來(lái)說(shuō)，著(zhù)實(shí)是個(gè)挑戰。”

1998年，劉中民向中國科學(xué)院遞交報告，希望可以“借錢(qián)”繼續攻克這項技術(shù)。不久后，劉中民團隊就收到了中國科學(xué)院特批的100萬(wàn)元科研經(jīng)費。

“利用這筆經(jīng)費，我們進(jìn)一步研究了甲醇制烯烴過(guò)程的反應機理，完善了催化劑放大和工藝技術(shù)，同時(shí)繼續尋找進(jìn)一步放大試驗的機會(huì )。”劉中民說(shuō)。

2004年，國際油價(jià)回暖，甲醇制烯烴再一次迎來(lái)了發(fā)展機遇。

機會(huì )總是留給有準備的人。在得知大連化物所已經(jīng)開(kāi)發(fā)出具有世界領(lǐng)先水平的甲醇制烯烴實(shí)驗室中試技術(shù)并正在尋找投資和合作伙伴的消息后，陜西省決定與其合作開(kāi)展工業(yè)性試驗。

當年8月，總投資8610萬(wàn)元、年處理甲醇能力1.67萬(wàn)噸的工業(yè)性試驗裝置，在陜西省華縣(現渭南市華州區)開(kāi)工建設。劉中民團隊在當地的一家化工廠(chǎng)安營(yíng)扎寨，開(kāi)始了至關(guān)重要的工業(yè)性試驗。

“最初，整個(gè)廠(chǎng)區只有甲醇制烯烴工業(yè)性試驗裝置孤單地矗立在那里，工廠(chǎng)基礎設施簡(jiǎn)陋。”團隊成員、大連化物所副研究員張令令回憶。

就是在這樣艱苦的條件下，劉中民帶領(lǐng)團隊在廠(chǎng)區度過(guò)了700多個(gè)日日夜夜。這期間，他很少睡過(guò)踏實(shí)覺(jué)，即使是晚上入睡后，總會(huì )過(guò)一會(huì )兒就起床看看裝置上面的火炬是否還亮著(zhù)。如果火炬燃燒，說(shuō)明裝置運行正常，他才敢躺下瞇一會(huì )，“火要不亮就得趕緊往那跑，說(shuō)明可能有問(wèn)題。”

作為技術(shù)總負責人，劉中民最擔心的是安全問(wèn)題。“100多人，36米高的大型裝置，哪一個(gè)環(huán)節出了問(wèn)題，就有可能中斷難得的工業(yè)性試驗機會(huì )。”

700多個(gè)日夜的“提心吊膽”，終于迎來(lái)了激動(dòng)人心的時(shí)刻。2006年5月，甲醇制烯烴工業(yè)性試驗宣告成功，取得了設計建設大型裝置的可靠數據。

此后，項目繼續順利推進(jìn)。2010年，神華包頭180萬(wàn)噸/年甲醇制烯烴工業(yè)裝置投料試車(chē)一次成功，在世界上首次實(shí)現煤制烯烴工業(yè)化;2011年1月，正式進(jìn)入商業(yè)化運營(yíng)階段。由此，我國率先實(shí)現了甲醇制烯烴核心技術(shù)及工業(yè)應用“零”的突破。

科研接力，推動(dòng)技術(shù)升級換代

漫長(cháng)而艱辛的研發(fā)歷程，融入了大連化物所三代人對科研的追求和對國家戰略需求的執著(zhù)。在2014年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會(huì )上，甲醇制烯烴技術(shù)榮獲國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。

在收獲榮譽(yù)的同時(shí)，團隊成員感到肩上的擔子更重了。不斷開(kāi)拓創(chuàng )新，推動(dòng)技術(shù)繼續升級換代，成為他們新的目標。

2015年，具備更高烯烴收率的第二代甲醇制烯烴(DMTO—Ⅱ)技術(shù)工業(yè)化成功投產(chǎn)，進(jìn)一步鞏固了我國在世界煤(天然氣)基烯烴工業(yè)化產(chǎn)業(yè)中的領(lǐng)先地位。

2020年11月，第三代甲醇制烯烴技術(shù)通過(guò)科技成果鑒定。與前兩代技術(shù)相比，在反應器尺寸基本不變的情況下，第三代技術(shù)使甲醇處理量從每年180萬(wàn)噸提升到360萬(wàn)噸，換算成烯烴的產(chǎn)量，就是從每年60萬(wàn)噸增加到135萬(wàn)噸;噸烯烴甲醇單耗從之前的3噸下降到2.6至2.7噸。

“第三代技術(shù)的單套裝置甲醇處理能力大幅增加，單位烯烴成本下降10%左右，能耗明顯下降，經(jīng)濟性顯著(zhù)提高。”劉中民說(shuō)。

在不久前，基于第三代甲醇制烯烴技術(shù)，全球單套規模最大的煤制烯烴項目在內蒙古自治區鄂爾多斯市開(kāi)始建設。

劉中民說(shuō)：“煤制烯烴項目建成投產(chǎn)后，將推動(dòng)鄂爾多斯和相關(guān)地區煤炭資源產(chǎn)品由‘一般加工’向‘高端制造’轉變，助力實(shí)現區域產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化，促進(jìn)國家烯烴原料多元化。”

截至目前，大連化物所甲醇制烯烴系列技術(shù)已簽訂32套裝置的技術(shù)實(shí)施許可合同，烯烴產(chǎn)能達2160萬(wàn)噸/年(約占全國當前產(chǎn)能的1/3);已投產(chǎn)的17套工業(yè)裝置，烯烴產(chǎn)能超過(guò)1000萬(wàn)噸/年。

“轉化一代，開(kāi)發(fā)一代，前瞻一代。”這是大連化物所對煤經(jīng)甲醇制取烯烴研究的總體部署。對于未來(lái)，劉中民表示：“就像接力賽跑一樣，導師把煤制烯烴的接力棒傳給我，作為傳承人，我要帶領(lǐng)一群年輕人，繼續跑下去。”