煤制烯烴技術(shù)這樣攻克

乙烯、丙烯等烯烴是重要的有機(jī)化工原料，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。塑料、合成橡膠、纖維、醫(yī)藥品原料、農(nóng)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(zhǎng)劉中民說。

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

承擔(dān)重任，挑戰(zhàn)世界級(jí)課題

20世紀(jì)70年代，由于全球石油危機(jī)導(dǎo)致石油價(jià)格大幅攀升，人們對(duì)烯烴原料來源產(chǎn)生擔(dān)憂。

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(jì)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。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(dān)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(nèi)極具挑戰(zhàn)性的課題。”劉中民說。

“以煤代油”關(guān)系到我國經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)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(quán)研究員和梁娟研究員為正副組長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)當(dāng)中。

一切從實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)化為烯烴。”劉中民說。

當(dāng)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。前者已有工業(yè)應(yīng)用的例子，風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，而SAPO—34分子篩催化劑的工業(yè)應(yīng)用潛力，還需要進(jìn)一步研究。權(quán)衡考慮之后，研究團(tuán)隊(duì)最終決定“兩條腿走路”。

經(jīng)過幾年夜以繼日的奮戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)首先合成了ZSM—5型沸石分子篩，向?qū)崿F(xiàn)甲醇制烯烴的戰(zhàn)略目標(biāo)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(guī)模沸石放大合成、4—5噸/年規(guī)模的催化劑放大設(shè)備，以及日處理量1噸甲醇規(guī)模的甲醇制烯烴固定床反應(yīng)系統(tǒng)和全部外圍設(shè)備，并在1993年完成了中試。

隨著研究的深入，科研人員發(fā)現(xiàn)，SAPO—34分子篩催化劑可大幅提高烯烴產(chǎn)率，工業(yè)應(yīng)用前景更好。1995年，團(tuán)隊(duì)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，完成百噸級(jí)中試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果很好，項(xiàng)目被中國科學(xué)院授予中國科學(xué)院科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。

原本以為項(xiàng)目就此會(huì)順利推進(jìn)，沒想到“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，與石油制烯烴相比，煤炭制烯烴的成本太高，因此，企業(yè)對(duì)煤炭替代石油生產(chǎn)烯烴項(xiàng)目的積極性并不高。”劉中民說。在一段時(shí)期內(nèi)，研究因資金短缺陷入僵局。

工業(yè)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“零”的突破

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

怎么辦?

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

“當(dāng)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(shì)，說服他們支持建設(shè)萬噸級(jí)工業(yè)性試驗(yàn)裝置，在放大中驗(yàn)證和完善技術(shù)，對(duì)我們這些專于科研的人來說，著實(shí)是個(gè)挑戰(zhàn)。”

1998年，劉中民向中國科學(xué)院遞交報(bào)告，希望可以“借錢”繼續(xù)攻克這項(xiàng)技術(shù)。不久后，劉中民團(tuán)隊(duì)就收到了中國科學(xué)院特批的100萬元科研經(jīng)費(fèi)。

“利用這筆經(jīng)費(fèi)，我們進(jìn)一步研究了甲醇制烯烴過程的反應(yīng)機(jī)理，完善了催化劑放大和工藝技術(shù)，同時(shí)繼續(xù)尋找進(jìn)一步放大試驗(yàn)的機(jī)會(huì)。”劉中民說。

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

機(jī)會(huì)總是留給有準(zhǔn)備的人。在得知大連化物所已經(jīng)開發(fā)出具有世界領(lǐng)先水平的甲醇制烯烴實(shí)驗(yàn)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展工業(yè)性試驗(yàn)。

當(dāng)年8月，總投資8610萬元、年處理甲醇能力1.67萬噸的工業(yè)性試驗(yàn)裝置，在陜西省華縣(現(xiàn)渭南市華州區(qū))開工建設(shè)。劉中民團(tuán)隊(duì)在當(dāng)?shù)氐囊患一S安營扎寨，開始了至關(guān)重要的工業(yè)性試驗(yàn)。

“最初，整個(gè)廠區(qū)只有甲醇制烯烴工業(yè)性試驗(yàn)裝置孤單地矗立在那里，工廠基礎(chǔ)設(shè)施簡(jiǎn)陋。”團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)在廠區(qū)度過了700多個(gè)日日夜夜。這期間，他很少睡過踏實(shí)覺，即使是晚上入睡后，總會(huì)過一會(huì)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(yùn)行正常，他才敢躺下瞇一會(huì)，“火要不亮就得趕緊往那跑，說明可能有問題。”

作為技術(shù)總負(fù)責(zé)人，劉中民最擔(dān)心的是安全問題。“100多人，36米高的大型裝置，哪一個(gè)環(huán)節(jié)出了問題，就有可能中斷難得的工業(yè)性試驗(yàn)機(jī)會(huì)。”

700多個(gè)日夜的“提心吊膽”，終于迎來了激動(dòng)人心的時(shí)刻。2006年5月，甲醇制烯烴工業(yè)性試驗(yàn)宣告成功，取得了設(shè)計(jì)建設(shè)大型裝置的可靠數(shù)據(jù)。

此后，項(xiàng)目繼續(xù)順利推進(jìn)。2010年，神華包頭180萬噸/年甲醇制烯烴工業(yè)裝置投料試車一次成功，在世界上首次實(shí)現(xiàn)煤制烯烴工業(yè)化;2011年1月，正式進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營階段。由此，我國率先實(shí)現(xiàn)了甲醇制烯烴核心技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用“零”的突破。

科研接力，推動(dòng)技術(shù)升級(jí)換代

漫長(zhǎng)而艱辛的研發(fā)歷程，融入了大連化物所三代人對(duì)科研的追求和對(duì)國家戰(zhàn)略需求的執(zhí)著。在2014年度國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，甲醇制烯烴技術(shù)榮獲國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

在收獲榮譽(yù)的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員感到肩上的擔(dān)子更重了。不斷開拓創(chuàng)新，推動(dòng)技術(shù)繼續(xù)升級(jí)換代，成為他們新的目標(biāo)。

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)通過科技成果鑒定。與前兩代技術(shù)相比，在反應(yīng)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180萬噸提升到360萬噸，換算成烯烴的產(chǎn)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(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(jì)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(shù)，全球單套規(guī)模最大的煤制烯烴項(xiàng)目在內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市開始建設(shè)。

劉中民說：“煤制烯烴項(xiàng)目建成投產(chǎn)后，將推動(dòng)鄂爾多斯和相關(guān)地區(qū)煤炭資源產(chǎn)品由‘一般加工’向‘高端制造’轉(zhuǎn)變，助力實(shí)現(xiàn)區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)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(dá)2160萬噸/年(約占全國當(dāng)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1000萬噸/年。

“轉(zhuǎn)化一代，開發(fā)一代，前瞻一代。”這是大連化物所對(duì)煤經(jīng)甲醇制取烯烴研究的總體部署。對(duì)于未來，劉中民表示：“就像接力賽跑一樣，導(dǎo)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(xù)跑下去。”