几代科研人员接续攻关，煤制烯烃技术这样攻克
神华包头180万吨煤基甲醇制60万吨烯烃项目
中国科学院大连化学物理研究所供
乙烯、丙烯等烯烃是重要的有机化工原料，在工业、农业、医药、环保等领域有着广泛的应用。塑料、合成橡胶、纤维、医药品原料、农药、涂料等，大部分品种的重要原料都是烯烃。在化学工业领域，主流方法一直是通过石油加工生产乙烯、丙烯等烯烃原料。“富煤贫油少气的基本国情，决定了我们不能走完全依赖石油制烯烃的道路。”中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所所长刘中民说。从上世纪80年代起，中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）的科研人员开始探索研究煤制烯烃技术。此后，经过几代科研人员近40年的接续攻关，联合工程公司终于成功开发了具有自主知识产权的甲醇制烯烃专利工艺技术（DMTO）成套工业化技术，开辟了非石油资源生产烯烃的新路线，实现了世界上煤制烯烃工业化“零”的突破。20世纪70年代，由于全球石油危机导致石油价格大幅攀升，人们对烯烃原料来源产生担忧。科学家想到一种方法：首先以煤炭或天然气为原料合成甲醇，再用甲醇制取烯烃。一些国家相继启动以煤代油的科技攻关计划。立足富煤贫油少气的国情，中国的科研人员们也行动起来。1981年，甲醇制取烯烃被列为中国科学院的重点课题，大连化物所承担了这一重任。“那时，煤合成甲醇已经有了成熟的工业技术，而甲醇制烯烃则是待攻克的关键核心技术，也是世界范围内极具挑战性的课题。”刘中民说。“以煤代油”关系到我国经济长期稳定发展和能源安全，再难也得上。大连化物所迅速成立了以陈国权研究员和梁娟研究员为正副组长的研究小组。1983年，19岁的刘中民进入大连化物所攻读硕士研究生，随即加入到团队当中。“首先要闯的一道难关是研制催化剂，有了催化剂才能将甲醇转化为烯烃。”刘中民说。当时，有ZSM—5分子筛催化剂和SAPO—34分子筛催化剂两条技术路线。前者已有工业应用的例子，风险相对较小，而SAPO—34分子筛催化剂的工业应用潜力，还需要进一步研究。权衡考虑之后，研究团队最终决定“两条腿走路”。经过几年夜以继日的奋战，团队在国内首先合成了ZSM—5型沸石分子筛，向实现甲醇制烯烃的战略目标迈出了第一步。之后，研究人员乘胜前进，先后完成了3吨/年规模沸石放大合成、4—5吨/年规模的催化剂放大设备，以及日处理量1吨甲醇规模的甲醇制烯烃固定床反应系统和全部外围设备，并在1993年完成了中试。
刘中民（左一）和团队成员交流
中国科学院大连化学物理研究所供图
随着研究的深入，科研人员发现，SAPO—34分子筛催化剂可大幅提高烯烃产率，工业应用前景更好。1995年，团队采用自己首创的合成气经由二甲醚制烯烃新工艺方法，完成百吨级中试试验。试验结果很好，项目被中国科学院授予中国科学院科技进步奖特等奖。原本以为项目就此会顺利推进，没想到“突变”而至：国际油价大幅下跌，一度跌至不足10美元/桶。“这样一来，与石油制烯烃相比，煤炭制烯烃的成本太高，因此，企业对煤炭替代石油生产烯烃项目的积极性并不高。”刘中民说。在一段时期内，研究因资金短缺陷入僵局。化工行业不同于其他领域，一个新工艺过程绕不开逐级放大，从实验室到中试再到工业示范，最后才能产业化。这个过程需要大量的资金。刘中民不想放弃，他坚信对于国家，这项研究的意义重大而深远。于是，在推动技术研发的同时，他开始四处寻找投资，盼望与企业联合开发。“当时压力很大。”刘中民坦言，“如何让企业理解我们的技术前景和潜在优势，说服他们支持建设万吨级工业性试验装置，在放大中验证和完善技术，对我们这些专于科研的人来说，着实是个挑战。”1998年，刘中民向中国科学院递交报告，希望可以“借钱”继续攻克这项技术。不久后，刘中民团队就收到了中国科学院特批的100万元科研经费。“利用这笔经费，我们进一步研究了甲醇制烯烃过程的反应机理，完善了催化剂放大和工艺技术，同时继续寻找进一步放大试验的机会。”刘中民说。2004年，国际油价回暖，甲醇制烯烃再一次迎来了发展机遇。机会总是留给有准备的人。在得知大连化物所已经开发出具有世界领先水平的甲醇制烯烃实验室中试技术并正在寻找投资和合作伙伴的消息后，陕西省决定与其合作开展工业性试验。当年8月，总投资8610万元、年处理甲醇能力1.67万吨的工业性试验装置，在陕西省华县（现渭南市华州区）开工建设。刘中民团队在当地的一家化工厂安营扎寨，开始了至关重要的工业性试验。“最初，整个厂区只有甲醇制烯烃工业性试验装置孤单地矗立在那里，工厂基础设施简陋。”团队成员、大连化物所副研究员张令令回忆。就是在这样艰苦的条件下，刘中民带领团队在厂区度过了700多个日日夜夜。这期间，他很少睡过踏实觉，即使是晚上入睡后，总会过一会儿就起床看看装置上面的火炬是否还亮着。如果火炬燃烧，说明装置运行正常，他才敢躺下眯一会，“火要不亮就得赶紧往那跑，说明可能有问题。”作为技术总负责人，刘中民最担心的是安全问题。“100多人，36米高的大型装置，哪一个环节出了问题，就有可能中断难得的工业性试验机会。”700多个日夜的“提心吊胆”，终于迎来了激动人心的时刻。2006年5月，甲醇制烯烃工业性试验宣告成功，取得了设计建设大型装置的可靠数据。此后，项目继续顺利推进。2010年，神华包头180万吨/年甲醇制烯烃工业装置投料试车一次成功，在世界上首次实现煤制烯烃工业化；2011年1月，正式进入商业化运营阶段。由此，我国率先实现了甲醇制烯烃核心技术及工业应用“零”的突破。漫长而艰辛的研发历程，融入了大连化物所三代人对科研的追求和对国家战略需求的执着。在2014年度国家科学技术奖励大会上，甲醇制烯烃技术荣获国家技术发明奖一等奖。在收获荣誉的同时，团队成员感到肩上的担子更重了。不断开拓创新，推动技术继续升级换代，成为他们新的目标。2015年，具备更高烯烃收率的第二代甲醇制烯烃（DMTO—Ⅱ）技术工业化成功投产，进一步巩固了我国在世界煤（天然气）基烯烃工业化产业中的领先地位。2020年11月，第三代甲醇制烯烃技术通过科技成果鉴定。与前两代技术相比，在反应器尺寸基本不变的情况下，第三代技术使甲醇处理量从每年180万吨提升到360万吨，换算成烯烃的产量，就是从每年60万吨增加到135万吨；吨烯烃甲醇单耗从之前的3吨下降到2.6至2.7吨。“第三代技术的单套装置甲醇处理能力大幅增加，单位烯烃成本下降10%左右，能耗明显下降，经济性显著提高。”刘中民说。在不久前，基于第三代甲醇制烯烃技术，全球单套规模最大的煤制烯烃项目在内蒙古自治区鄂尔多斯市开始建设。刘中民说：“煤制烯烃项目建成投产后，将推动鄂尔多斯和相关地区煤炭资源产品由‘一般加工’向‘高端制造’转变，助力实现区域产业结构优化，促进国家烯烃原料多元化。”截至目前，大连化物所甲醇制烯烃系列技术已签订32套装置的技术实施许可合同，烯烃产能达2160万吨/年（约占全国当前产能的1/3）；已投产的17套工业装置，烯烃产能超过1000万吨/年。“转化一代，开发一代，前瞻一代。”这是大连化物所对煤经甲醇制取烯烃研究的总体部署。对于未来，刘中民表示：“就像接力赛跑一样，导师把煤制烯烃的接力棒传给我，作为传承人，我要带领一群年轻人，继续跑下去。”
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