【山西日報】從實驗室到工業化示范生產 打開煤化工產業新窗口
從實驗室到工業化示范生產
打開煤化工產業新窗口
煤變油是幾代煤化工科學家的夢想，中國科學院山西煤化所經過數十年來科學研究，厚積薄發，實現了中國煤液化合成油技術的大規模產業化，滿足了國家重大戰略需求。能否擴展產品群和延伸產業鏈，發展高附加值化學品？科學家仍在思考。基于費托合成的本征機理，此路線易獲得直鏈的α-烯烴（Linear α-olefins，LAO）或伯醇，特色化新產品，正是彌補煤化工技術路線的短板。作為費托合成技術的實踐者之一，煤化所研究員陳建剛團隊開始了費托合成路線α-烯烴制備、分離和應用的探索研究，敲開煤液化合成油技術的側門，打開一扇“新精細化工”窗。2021年，合成氣制α-烯烴300噸/年固定床的工業示范研究成功實施，意味著中國科學家即將立足國內產業，保供α-烯烴產品，打破了歐美公司對這一產品的技術壁壘。
工業佳肴里的“調味品”
α-烯烴是聚烯烴產業升級、PAO潤滑油生產及日化原料供應的關鍵原料。商業化的生產技術主要有乙烯齊聚、蠟裂解、混合C4分離、費托合成等。在眾多α-烯烴制備技術中，乙烯齊聚法是目前全球最為廣泛的工藝，其碳數分布是從C4到C30+，都是偶碳數烯烴；蠟裂解烯烴成分復雜，α-烯烴純度低；最后一個技術，費托合成具有合成產物中α-烯烴含量高的特點。LAO生產技術及產能主要掌握在Shell、Sasol、INEOS等全球知名企業手中，總產能近500萬噸，我國占比不足2%。雖然國內需求巨大，但國際石油巨頭一直對我國封鎖α-烯烴合成技術，嚴重限制了我國聚烯烴、PAO、洗滌劑等應用產業的升級，是國內亟待發展的“卡脖子”技術。
煤化所研究人員注意到，α-烯烴雖是費托合成過程中伴生的含量不多的化合物，其重要性卻不可忽視。“從下游廠商那里得到的反饋信息，α-烯烴很重要，在多個產業中，是制造高端產品必不可少的那點味精。我國很多化工原料賣不出高端化學品的價格，差的就是那一道調味品——α-烯烴。據了解，α-烯烴在聚烯烴、高檔潤滑油PAO，洗滌劑都必不可少，極為關鍵，售價高達2萬元/噸，而且進口需求很大。
如果打通費托法制取α-烯烴的路線，實現量產，并完善工藝技術，就有可能發展出一條獨立自主、不再受制于人的產業路線。隨著技術進步，價格降下來，作為不可或缺的中間原料，將給下游化工產品轉型換代提供堅實的物質基礎。
在相鄰的科技樹上尋找靈感
煤化工產品分為兩個時代，早期的代表產品焦炭、煤焦油、PVC、合成氨和甲醇等，而新型煤化工以生產潔凈能源和可替代石油化工產品為主，如煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制乙二醇等。新型煤化工方興未艾之際，已遭遇到產能過剩、原料壓減的大環境，如何找到創新的研發和產業方向？一次偶然的機會，陳建剛翻到一本關于石油潤滑油的小冊子，上面介紹了石油化工領域的最新進展，僅有半頁紙篇幅介紹了國外跨國企業大規模制備α-烯烴的新聞，α-烯烴進入他的視野。隨著更多信息的整合和分析，他認為，α-烯烴是一項十分關鍵的卡脖子技術，市場需求更加迫切，朝著這個方向努力大有可為，研究所應該探索這條路。
十幾年來，這道關鍵“調味品”的制造工藝被牢牢得控制在跨國企業巨頭手中。國內也有石油企業在嘗試打破技術封鎖，做出乙烯齊聚法制取α-烯烴路徑，仍無法滿足國內產業對α-烯烴的強勁需求。石油化工和煤化工看似是兩個完全不同的資源條件下的不同產業，但兩者的工藝途徑和關鍵技術卻有相通之處。越往下游延伸，石油化工和煤炭化工的交集就越多。
石油化工的努力舉步維艱，那煤化工這株科技樹上能否結出α-烯烴的果實？不同于煤液化合成油、甲醇制烯烴(MTO)，α-烯烴的研制之路則是一條全新的技術路線，需要開發全新的催化劑和分離工藝，技術路線的選擇尤為關鍵。
基于研究團隊的研發積累，陳建剛決定從費托法入手，與上市公司三聚環保緊密結合，依靠企業的支持，研發工作顯著加快。2017年，三聚環保與中科院山西煤化所合作開發合成氣制長鏈α-烯烴技術，開發出用于合成氣直接制備α-烯烴的新型高效催化劑。憑借著扎實的基礎研究理論，憑借對合成工藝的深刻理解，α-烯烴走上了從實驗室到工業放大之路。
板凳甘坐十年冷
2020年，在內蒙古自治區實施的“‘科技興蒙’行動戰略”政策的大力支持下，三聚環保投資興建的α-烯烴費托合成工業示范裝置，與中科院山西煤化所、內蒙古聚實能源、上海寰球等公司合作，在國內開展合成氣制α-烯烴300噸/年固定床的工業示范研究。噸級規模的催化劑放大研究完成，實現了催化劑6000小時單管穩定運行。一舉成功源于對創新思路的嚴格論證，源于對化學機理的通透理解，源于海量、扎實的實驗數據分析。
熔鐵催化劑是合成氣制α-烯烴技術的核心，研發團隊成員張娟介紹：“我們在進行催化劑評價時，要保證物料平衡在97%～103%，催化劑配方經歷幾百次的重復，數十次的6000小時壽命運轉日夜不停。每次實驗都會遇到形形色色的意外，仍要保證實驗評價結果可以重復，如果不能重復，就要分析該制備過程中出現了什么問題，是哪些因素導致無法重復，哪些因素是實驗的敏感因素，就靠著這樣的摸索一步步練就了技術的基本功。”此外，在實驗運行過程中，不僅僅涉及催化專業的知識，還離不了其他支撐領域，包括實驗室設備、反應器、分析色譜儀器的維修，基本上都靠實驗室人員自己動手解決，這節約了成本，發揚了自力更生精神，保證了研發實驗的多快好省。
“從實驗室最小的規模催化劑裝填量1ml，到立升級反應催化劑裝填量500ml，再到300噸規模的中試，我們都能保持實驗數據一致。尤其是中試裝置一次性成功開車，都表明我們團隊在該領域扎實的工作基礎”。談及下一步的工作，陳建剛認為還要對標國際大公司，努力向認識更深、數據更真的科學目標進軍。他念念不忘“Shell敢于將100mL的實驗室工藝進一步放大到50萬噸年產能，這反映出科學家踏踏實實做應用基礎研發、板凳甘坐十年冷的科學家精神，是值得大家認真學習，這也是國家對科技工作者時代要求。”
沈佳 李清波
《山西日報》 2021-6-10 原文鏈接
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