煤變油是幾代煤化工科學(xué)家的夢(mèng)想，中國(guó)科學(xué)院山西煤化所經(jīng)過(guò)數(shù)十年來(lái)科學(xué)研究，厚積薄發(fā)，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)煤液化合成油技術(shù)的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，滿(mǎn)足了國(guó)家重大戰(zhàn)略需求。能否擴(kuò)展產(chǎn)品群和延伸產(chǎn)業(yè)鏈，發(fā)展高附加值化學(xué)品？科學(xué)家仍在思考?；谫M(fèi)托合成的本征機(jī)理，此路線(xiàn)易獲得直鏈的α-烯烴（Linear α-olefins，LAO）或伯醇，特色化新產(chǎn)品，正是彌補(bǔ)煤化工技術(shù)路線(xiàn)的短板。作為費(fèi)托合成技術(shù)的實(shí)踐者之一，煤化所研究員陳建剛團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了費(fèi)托合成路線(xiàn)α-烯烴制備、分離和應(yīng)用的探索研究，敲開(kāi)煤液化合成油技術(shù)的側(cè)門(mén)，打開(kāi)一扇“新精細(xì)化工”窗。2021年，合成氣制α-烯烴300噸/年固定床的工業(yè)示范研究成功實(shí)施，意味著中國(guó)科學(xué)家即將立足國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)，保供α-烯烴產(chǎn)品，打破了歐美公司對(duì)這一產(chǎn)品的技術(shù)壁壘。
工業(yè)佳肴里的“調(diào)味品”
α-烯烴是聚烯烴產(chǎn)業(yè)升級(jí)、PAO潤(rùn)滑油生產(chǎn)及日化原料供應(yīng)的關(guān)鍵原料。商業(yè)化的生產(chǎn)技術(shù)主要有乙烯齊聚、蠟裂解、混合C4分離、費(fèi)托合成等。在眾多α-烯烴制備技術(shù)中，乙烯齊聚法是目前全球最為廣泛的工藝，其碳數(shù)分布是從C4到C30+，都是偶碳數(shù)烯烴；蠟裂解烯烴成分復(fù)雜，α-烯烴純度低；最后一個(gè)技術(shù)，費(fèi)托合成具有合成產(chǎn)物中α-烯烴含量高的特點(diǎn)。LAO生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)能主要掌握在Shell、Sasol、INEOS等全球知名企業(yè)手中，總產(chǎn)能近500萬(wàn)噸，我國(guó)占比不足2%。雖然國(guó)內(nèi)需求巨大，但國(guó)際石油巨頭一直對(duì)我國(guó)封鎖α-烯烴合成技術(shù)，嚴(yán)重限制了我國(guó)聚烯烴、PAO、洗滌劑等應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，是國(guó)內(nèi)亟待發(fā)展的“卡脖子”技術(shù)。
煤化所研究人員注意到，α-烯烴雖是費(fèi)托合成過(guò)程中伴生的含量不多的化合物，其重要性卻不可忽視?！皬南掠螐S商那里得到的反饋信息，α-烯烴很重要，在多個(gè)產(chǎn)業(yè)中，是制造高端產(chǎn)品必不可少的那點(diǎn)味精。我國(guó)很多化工原料賣(mài)不出高端化學(xué)品的價(jià)格，差的就是那一道調(diào)味品——α-烯烴。據(jù)了解，α-烯烴在聚烯烴、高檔潤(rùn)滑油PAO，洗滌劑都必不可少，極為關(guān)鍵，售價(jià)高達(dá)2萬(wàn)元/噸，而且進(jìn)口需求很大。
如果打通費(fèi)托法制取α-烯烴的路線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，并完善工藝技術(shù)，就有可能發(fā)展出一條獨(dú)立自主、不再受制于人的產(chǎn)業(yè)路線(xiàn)。隨著技術(shù)進(jìn)步，價(jià)格降下來(lái)，作為不可或缺的中間原料，將給下游化工產(chǎn)品轉(zhuǎn)型換代提供堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。
在相鄰的科技樹(shù)上尋找靈感
煤化工產(chǎn)品分為兩個(gè)時(shí)代，早期的代表產(chǎn)品焦炭、煤焦油、PVC、合成氨和甲醇等，而新型煤化工以生產(chǎn)潔凈能源和可替代石油化工產(chǎn)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(chǎn)能過(guò)剩、原料壓減的大環(huán)境，如何找到創(chuàng)新的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)方向？一次偶然的機(jī)會(huì)，陳建剛翻到一本關(guān)于石油潤(rùn)滑油的小冊(cè)子，上面介紹了石油化工領(lǐng)域的最新進(jìn)展，僅有半頁(yè)紙篇幅介紹了國(guó)外跨國(guó)企業(yè)大規(guī)模制備α-烯烴的新聞，α-烯烴進(jìn)入他的視野。隨著更多信息的整合和分析，他認(rèn)為，α-烯烴是一項(xiàng)十分關(guān)鍵的卡脖子技術(shù)，市場(chǎng)需求更加迫切，朝著這個(gè)方向努力大有可為，研究所應(yīng)該探索這條路。
十幾年來(lái)，這道關(guān)鍵“調(diào)味品”的制造工藝被牢牢得控制在跨國(guó)企業(yè)巨頭手中。國(guó)內(nèi)也有石油企業(yè)在嘗試打破技術(shù)封鎖，做出乙烯齊聚法制取α-烯烴路徑，仍無(wú)法滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)對(duì)α-烯烴的強(qiáng)勁需求。石油化工和煤化工看似是兩個(gè)完全不同的資源條件下的不同產(chǎn)業(yè)，但兩者的工藝途徑和關(guān)鍵技術(shù)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(shù)上能否結(jié)出α-烯烴的果實(shí)？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(shù)路線(xiàn)，需要開(kāi)發(fā)全新的催化劑和分離工藝，技術(shù)路線(xiàn)的選擇尤為關(guān)鍵。
基于研究團(tuán)隊(duì)的研發(fā)積累，陳建剛決定從費(fèi)托法入手，與上市公司三聚環(huán)保緊密結(jié)合，依靠企業(yè)的支持，研發(fā)工作顯著加快。2017年，三聚環(huán)保與中科院山西煤化所合作開(kāi)發(fā)合成氣制長(zhǎng)鏈α-烯烴技術(shù)，開(kāi)發(fā)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(shí)的基礎(chǔ)研究理論，憑借對(duì)合成工藝的深刻理解，α-烯烴走上了從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)放大之路。
板凳甘坐十年冷
2020年，在內(nèi)蒙古自治區(qū)實(shí)施的“'科技興蒙’行動(dòng)戰(zhàn)略”政策的大力支持下，三聚環(huán)保投資興建的α-烯烴費(fèi)托合成工業(yè)示范裝置，與中科院山西煤化所、內(nèi)蒙古聚實(shí)能源、上海寰球等公司合作，在國(guó)內(nèi)開(kāi)展合成氣制α-烯烴300噸/年固定床的工業(yè)示范研究。噸級(jí)規(guī)模的催化劑放大研究完成，實(shí)現(xiàn)了催化劑6000小時(shí)單管穩(wěn)定運(yùn)行。一舉成功源于對(duì)創(chuàng)新思路的嚴(yán)格論證，源于對(duì)化學(xué)機(jī)理的通透理解，源于海量、扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。
熔鐵催化劑是合成氣制α-烯烴技術(shù)的核心，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員張娟介紹：“我們?cè)谶M(jìn)行催化劑評(píng)價(jià)時(shí)，要保證物料平衡在97%～103%，催化劑配方經(jīng)歷幾百次的重復(fù)，數(shù)十次的6000小時(shí)壽命運(yùn)轉(zhuǎn)日夜不停。每次實(shí)驗(yàn)都會(huì)遇到形形色色的意外，仍要保證實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果可以重復(fù)，如果不能重復(fù)，就要分析該制備過(guò)程中出現(xiàn)了什么問(wèn)題，是哪些因素導(dǎo)致無(wú)法重復(fù)，哪些因素是實(shí)驗(yàn)的敏感因素，就靠著這樣的摸索一步步練就了技術(shù)的基本功?！贝送?，在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中，不僅僅涉及催化專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，還離不了其他支撐領(lǐng)域，包括實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、反應(yīng)器、分析色譜儀器的維修，基本上都靠實(shí)驗(yàn)室人員自己動(dòng)手解決，這節(jié)約了成本，發(fā)揚(yáng)了自力更生精神，保證了研發(fā)實(shí)驗(yàn)的多快好省。
“從實(shí)驗(yàn)室最小的規(guī)模催化劑裝填量1ml，到立升級(jí)反應(yīng)催化劑裝填量500ml，再到300噸規(guī)模的中試，我們都能保持實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。尤其是中試裝置一次性成功開(kāi)車(chē)，都表明我們團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域扎實(shí)的工作基礎(chǔ)”。談及下一步的工作，陳建剛認(rèn)為還要對(duì)標(biāo)國(guó)際大公司，努力向認(rèn)識(shí)更深、數(shù)據(jù)更真的科學(xué)目標(biāo)進(jìn)軍。他念念不忘“Shell敢于將100mL的實(shí)驗(yàn)室工藝進(jìn)一步放大到50萬(wàn)噸年產(chǎn)能，這反映出科學(xué)家踏踏實(shí)實(shí)做應(yīng)用基礎(chǔ)研發(fā)、板凳甘坐十年冷的科學(xué)家精神，是值得大家認(rèn)真學(xué)習(xí)，這也是國(guó)家對(duì)科技工作者時(shí)代要求?！?/p>
沈佳 李清波
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