文/中國(guó)石化上海石油化工研究院

“富煤、貧油、少氣”是我國(guó)能源發(fā)展面臨的現(xiàn)狀，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油的供給壓力還將繼續(xù)加大。因此，發(fā)展煤代油戰(zhàn)略具有十分重要的意義，可以發(fā)揮我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，減少對(duì)石油資源的高度依賴。

經(jīng)過多年的開拓創(chuàng)新，我國(guó)已經(jīng)開發(fā)建設(shè)了煤制油、煤制二甲醚、煤制乙二醇和煤制天然氣等現(xiàn)代煤化工產(chǎn)品、技術(shù)和裝備，并且初具規(guī)模。其中，高效甲醇制烯烴工藝是最重要的煤化工技術(shù)之一，它以煤或天然氣合成的甲醇為原料，生產(chǎn)乙烯、丙烯等低碳烯烴，是煤代油戰(zhàn)略的核心技術(shù)。

2018年1月，中國(guó)石化上海石油化工研究院牽頭完成的“高效甲醇制烯烴全流程技術(shù)”項(xiàng)目榮獲2017年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。該項(xiàng)目開發(fā)了用煤替代石油進(jìn)行烯烴高效生產(chǎn)的全流程技術(shù)，使我國(guó)成為世界上第一個(gè)掌握甲醇制烯烴全流程技術(shù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)家，具有里程碑的意義。

向煤要烯烴

乙烯和丙烯是化學(xué)工業(yè)的基石，其生產(chǎn)能力通常代表了一個(gè)國(guó)家的化學(xué)工業(yè)水平。經(jīng)由乙烯、丙烯加工制得的產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、汽車、國(guó)防、建筑、醫(yī)療和日用品等領(lǐng)域，與人們的生活密切相關(guān)。

那么，乙烯、丙烯是從哪兒來的呢？目前，它們主要是通過石腦油催化裂解得到的，也就是說，生產(chǎn)它們的主要原料是石油。

然而，偏偏我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是“富煤少油”。根據(jù)國(guó)際能源署的數(shù)據(jù)，我國(guó)人均石油資源量?jī)H為全球平均水平的18%，原油對(duì)外依存度已超過70%；相比而言，我國(guó)的煤炭資源十分豐富，儲(chǔ)量居全球第三位。

既然如此，能否用煤炭代替石油來生產(chǎn)乙烯和丙烯呢？

答案是肯定的。這就是人們常說的“煤制烯烴”，也是煤代油戰(zhàn)略的重要技術(shù)路線，而甲醇制烯烴（Methanol-to-Olefine，以下簡(jiǎn)稱MTO）是其中關(guān)鍵性的一環(huán)。

解決催化劑、反應(yīng)器、分離工藝的“三高”挑戰(zhàn)

MTO簡(jiǎn)單來說就是使甲醇在催化劑的作用下，經(jīng)過多個(gè)轉(zhuǎn)化步驟生成烴類混合物，將這些烴類混合物分離、提純之后，就得到了目標(biāo)產(chǎn)物乙烯和丙烯。MTO技術(shù)發(fā)展的重大技術(shù)挑戰(zhàn)有“三高”：一是催化劑的選擇性要高，要讓最后得到的產(chǎn)物中盡可能含有更多的乙烯和丙烯，含有更少的副產(chǎn)物；二是流化床反應(yīng)工程與工藝的時(shí)空收率要高，要在單位時(shí)間、單位空間內(nèi)生產(chǎn)盡可能多的低碳烯烴；三是烯烴分離工藝的回收率要高，要把好不容易制備得到的乙烯和丙烯盡可能徹底地分離出來。

總體來看，這里面需要解決的問題主要有催化劑的問題、反應(yīng)器的問題、分離工藝的問題。其中，通過催化劑的研究來實(shí)現(xiàn)高選擇性是MTO技術(shù)研究開發(fā)的重點(diǎn)。

該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)率先創(chuàng)制了納米片晶多級(jí)孔SAPO-34分子篩。這種分子篩具有獨(dú)特的片狀多級(jí)孔結(jié)構(gòu)，能有效地促進(jìn)擴(kuò)散，是一種高性能的MTO催化劑。利用這種新型催化劑，乙烯和丙烯的碳基選擇性提高到了81%以上。這個(gè)數(shù)字意味著：在最終的烴類產(chǎn)物中，乙烯和丙烯占到了81%以上，其他烴類只占不到19%。

用于高效甲醇制烯烴工藝的納米片晶多級(jí)孔SAPO-34分子篩催化劑

MTO的工藝流程采用的都是流化床反應(yīng)器。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)根據(jù)流化床反應(yīng)器的工藝特點(diǎn)，結(jié)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征和催化劑的性能，首次開發(fā)出MTO快速流化床反應(yīng)-再生技術(shù)，反應(yīng)器的直徑減小了1/3，反應(yīng)的時(shí)空收率提高了2倍，使反應(yīng)效率大幅度提升；創(chuàng)新開發(fā)了順流兩段再生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了催化劑積碳的精準(zhǔn)控制，積碳量變化幅度可控制在±0.2%以內(nèi)。

在分離工藝方面，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了高效MTO烯烴分離全新工藝，設(shè)計(jì)開發(fā)了前脫乙烷、C4烴回收乙烯、含氧化合物脫除等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和分離工藝，使乙烯、丙烯產(chǎn)品回收率均達(dá)99.98%以上。

完成科學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)開發(fā)、推廣應(yīng)用的三級(jí)跳

目前，該項(xiàng)目已獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利260件、授權(quán)國(guó)際發(fā)明專利23件，發(fā)表SCI論文21篇； 獲中國(guó)石化科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)、上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。 項(xiàng)目首次提出并證實(shí)了“烯烴活性中心”的MTO烴池反應(yīng)新概念，率先發(fā)明了片狀多級(jí)孔催化材料，創(chuàng)新開發(fā)了反應(yīng)-再生系統(tǒng)催化劑細(xì)粉高效脫除技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了MTO工藝與石腦油蒸汽裂解工藝的集成，這些成果在產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界都產(chǎn)生了重大影響。

2010年8月，中原石化60萬(wàn)噸/年工業(yè)裝置采用高效甲醇制烯烴全流程成套技術(shù)開工建設(shè)。2011年10月，裝置投料開車一次成功，并于7小時(shí)后取得了合格的乙烯、丙烯產(chǎn)品，標(biāo)定結(jié)果顯示，總體技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。目前，該裝置已連續(xù)運(yùn)行9年以上，運(yùn)行穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益顯著。2016年10月，中天合創(chuàng)360萬(wàn)噸/年高效甲醇制烯烴全流程技術(shù)裝置在內(nèi)蒙古建成投產(chǎn)，這是全球最大的MTO裝置。

高效甲醇制烯烴全流程裝置

目前，高效甲醇制烯烴全流程技術(shù)已在中原石化、中天合創(chuàng)、中安聯(lián)合煤化等國(guó)內(nèi)多家公司進(jìn)行應(yīng)用，并獲得國(guó)內(nèi)外多家公司的認(rèn)可。實(shí)踐表明：我國(guó)自主開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)、運(yùn)行的高效甲醇制烯烴全流程技術(shù)大型工業(yè)裝置達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，實(shí)現(xiàn)了“世界領(lǐng)跑”。

（原載于《科學(xué)畫報(bào)》2021年第2期，本文受到上海科委2019年度“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”科普領(lǐng)域項(xiàng)目資助。項(xiàng)目名稱：“立足科創(chuàng)中心，傳播尖端科技——打造上海重大獲獎(jiǎng)科技成果科普化融媒體專欄”；項(xiàng)目編號(hào)：19DZ2332600。）