煤制烯烴技術這樣攻克
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2023-10-08 08:35來源：
人民日報
乙烯、丙烯等烯烴是重要的有機化工原料，在工業、農業、醫藥、環保等領域有著廣泛的應用。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。
在化學工業領域，主流方法一直是通過石油加工生產乙烯、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石油制烯烴的道路。”中國工程院院士、中國科學院大連化學物理研究所所長劉中民說。
從上世紀80年代起，中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）的科研人員開始探索研究煤制烯烴技術。此后，經過幾代科研人員近40年的接續攻關，聯合工程公司終于成功開發了具有自主知識產權的甲醇制烯烴專利工藝技術（DMTO）成套工業化技術，開辟了非石油資源生產烯烴的新路線，實現了世界上煤制烯烴工業化“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格大幅攀升，人們對烯烴原料來源產生擔憂。
科學家想到一種方法：首先以煤炭或天然氣為原料合成甲醇，再用甲醇制取烯烴。一些國家相繼啟動以煤代油的科技攻關計劃。立足富煤貧油少氣的國情，中國的科研人員們也行動起來。1981年，甲醇制取烯烴被列為中國科學院的重點課題，大連化物所承擔了這一重任。
“那時，煤合成甲醇已經有了成熟的工業技術，而甲醇制烯烴則是待攻克的關鍵核心技術，也是世界范圍內極具挑戰性的課題。”劉中民說。
“以煤代油”關系到我國經濟長期穩定發展和能源安全，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的研究小組。1983年，19歲的劉中民進入大連化物所攻讀碩士研究生，隨即加入到團隊當中。
一切從實驗室起步。
“首先要闖的一道難關是研制催化劑，有了催化劑才能將甲醇轉化為烯烴。”劉中民說。
當時，有ZSM—5分子篩催化劑和SAPO—34分子篩催化劑兩條技術路線。前者已有工業應用的例子，風險相對較小，而SAPO—34分子篩催化劑的工業應用潛力，還需要進一步研究。權衡考慮之后，研究團隊最終決定“兩條腿走路”。
經過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，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。
隨著研究的深入，科研人員發現，SAPO—34分子篩催化劑可大幅提高烯烴產率，工業應用前景更好。1995年，團隊采用自己首創的合成氣經由二甲醚制烯烴新工藝方法，完成百噸級中試試驗。試驗結果很好，項目被中國科學院授予中國科學院科技進步獎特等獎。
原本以為項目就此會順利推進，沒想到“突變”而至：國際油價大幅下跌，一度跌至不足10美元/桶。
“這樣一來，與石油制烯烴相比，煤炭制烯烴的成本太高，因此，企業對煤炭替代石油生產烯烴項目的積極性并不高。”劉中民說。在一段時期內，研究因資金短缺陷入僵局。
工業應用，實現“零”的突破
化工行業不同于其他領域，一個新工藝過程繞不開逐級放大，從實驗室到中試再到工業示范，最后才能產業化。這個過程需要大量的資金。
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，在推動技術研發的同時，他開始四處尋找投資，盼望與企業聯合開發。
“當時壓力很大。”劉中民坦言，“如何讓企業理解我們的技術前景和潛在優勢，說服他們支持建設萬噸級工業性試驗裝置，在放大中驗證和完善技術，對我們這些專于科研的人來說，著實是個挑戰。”
1998年，劉中民向中國科學院遞交報告，希望可以“借錢”繼續攻克這項技術。不久后，劉中民團隊就收到了中國科學院特批的100萬元科研經費。
“利用這筆經費，我們進一步研究了甲醇制烯烴過程的反應機理，完善了催化劑放大和工藝技術，同時繼續尋找進一步放大試驗的機會。”劉中民說。
2004年，國際油價回暖，甲醇制烯烴再一次迎來了發展機遇。
機會總是留給有準備的人。在得知大連化物所已經開發出具有世界領先水平的甲醇制烯烴實驗室中試技術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展工業性試驗。
當年8月，總投資8610萬元、年處理甲醇能力1.67萬噸的工業性試驗裝置，在陜西省華縣（現渭南市華州區）開工建設。劉中民團隊在當地的一家化工廠安營扎寨，開始了至關重要的工業性試驗。
“最初，整個廠區只有甲醇制烯烴工業性試驗裝置孤單地矗立在那里，工廠基礎設施簡陋。”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，劉中民帶領團隊在廠區度過了700多個日日夜夜。這期間，他很少睡過踏實覺，即使是晚上入睡后，總會過一會兒就起床看看裝置上面的火炬是否還亮著。如果火炬燃燒，說明裝置運行正常，他才敢躺下瞇一會，“火要不亮就得趕緊往那跑，說明可能有問題。”
作為技術總負責人，劉中民最擔心的是安全問題。“100多人，36米高的大型裝置，哪一個環節出了問題，就有可能中斷難得的工業性試驗機會。”
700多個日夜的“提心吊膽”，終于迎來了激動人心的時刻。2006年5月，甲醇制烯烴工業性試驗宣告成功，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。2010年，神華包頭180萬噸/年甲醇制烯烴工業裝置投料試車一次成功，在世界上首次實現煤制烯烴工業化；2011年1月，正式進入商業化運營階段。由此，我國率先實現了甲醇制烯烴核心技術及工業應用“零”的突破。
科研接力，推動技術升級換代
漫長而艱辛的研發歷程，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。在2014年度國家科學技術獎勵大會上，甲醇制烯烴技術榮獲國家技術發明獎一等獎。
在收獲榮譽的同時，團隊成員感到肩上的擔子更重了。不斷開拓創新，推動技術繼續升級換代，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）技術工業化成功投產，進一步鞏固了我國在世界煤（天然氣）基烯烴工業化產業中的領先地位。
2020年11月，第三代甲醇制烯烴技術通過科技成果鑒定。與前兩代技術相比，在反應器尺寸基本不變的情況下，第三代技術使甲醇處理量從每年180萬噸提升到360萬噸，換算成烯烴的產量，就是從每年60萬噸增加到135萬噸；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，經濟性顯著提高。”劉中民說。
在不久前，基于第三代甲醇制烯烴技術，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始建設。
劉中民說：“煤制烯烴項目建成投產后，將推動鄂爾多斯和相關地區煤炭資源產品由‘一般加工’向‘高端制造’轉變，助力實現區域產業結構優化，促進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已簽訂32套裝置的技術實施許可合同，烯烴產能達2160萬噸/年（約占全國當前產能的1/3）；已投產的17套工業裝置，烯烴產能超過1000萬噸/年。
“轉化一代，開發一代，前瞻一代。”這是大連化物所對煤經甲醇制取烯烴研究的總體部署。對于未來，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，我要帶領一群年輕人，繼續跑下去。”
