世界首套甲醇制烯烴工業(yè)化裝置
在內(nèi)蒙古鄂爾多斯這片廣袤無(wú)垠的土地孕育出了無(wú)數(shù)寶藏。在這里除了唱醉了星辰、奏響了樂(lè)章的百靈鳥(niǎo)和馬頭琴，還有埋藏地下的“寶貝”——煤炭。寶豐能源公司在鄂爾多斯建造的烯烴項(xiàng)目正是看中這個(gè)“寶貝”，才選擇在這里“安營(yíng)扎寨”，開(kāi)展到目前為止全球單廠規(guī)模最大的煤制烯烴項(xiàng)目建設(shè)。該項(xiàng)目核心裝置采用中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)大連化物所）聯(lián)合開(kāi)發(fā)的甲醇制烯烴專(zhuān)利工藝技術(shù)——DMTO。該技術(shù)目前已發(fā)展到第三代。近些年，在中國(guó)科學(xué)院“雙碳”戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃和“潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)的支持下，DMTO-III應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)的出現(xiàn)使得單套工業(yè)裝置甲醇處理量大幅增加，甲醇單耗明顯下降。而大連化物所研發(fā)第一代技術(shù)時(shí)還是上世紀(jì)80年代，彼時(shí)他們?yōu)楹我巫尾痪氲匕l(fā)展“煤代油”的前沿研究——甲醇制烯烴呢？
上世紀(jì)80年代，劉中民曾思考過(guò)一個(gè)問(wèn)題：我們?yōu)槭裁匆芯考状贾葡N？此時(shí)的他還不是低碳催化與工程研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人，而是一名新入學(xué)的研究生。他了解到，上世紀(jì)70年代世界爆發(fā)了兩次石油危機(jī)，石油價(jià)格大幅攀升，促使許多發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始考慮以煤炭取代石油，并相繼啟動(dòng)了以煤代油的科技攻關(guān)計(jì)劃。80年代后，走上改革開(kāi)放之路的中國(guó)科學(xué)家開(kāi)始攻堅(jiān)科技難題，大連化物所的研究人員就是在此時(shí)選擇了煤制烯烴方向。烯烴聽(tīng)起來(lái)陌生，但它在我們生活中無(wú)處不在。飛機(jī)、汽車(chē)、冰箱、電視、鞋子、衣服等一切有塑料的地方，大都有烯烴的存在。而在傳統(tǒng)技術(shù)中，烯烴的生產(chǎn)高度依賴(lài)石油資源。石油危機(jī)讓享受油氣時(shí)代的公眾產(chǎn)生了難以言喻的恐慌——如果石油資源沒(méi)有了或者價(jià)格一路飆升，未來(lái)烯烴的原料如何解決？科學(xué)家想到一個(gè)辦法：首先用煤炭或天然氣制成合成氣，再將合成氣制成甲醇，最后用甲醇制成烯烴。而這個(gè)技術(shù)鏈條中缺少重要一環(huán)——甲醇制烯烴在國(guó)際上并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。劉中民就是在這一時(shí)期加入了研究組。作為剛?cè)腴T(mén)的學(xué)生，雖然他對(duì)于研究背景和國(guó)家需求有所認(rèn)知，但對(duì)具體研究了解得并不透徹。一進(jìn)入大連化物所，他就跟隨老師逐步邁入了甲醇制烯烴研究領(lǐng)域。在陳國(guó)權(quán)和梁娟帶領(lǐng)的研究小組的努力下，他們從實(shí)驗(yàn)室起步，經(jīng)過(guò)夜以繼日的努力，在國(guó)內(nèi)率先合成了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。隨后的幾年，研究駛?cè)肟燔?chē)道，形成了聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，研制出甲醇制烯烴的固定床催化劑，完成實(shí)驗(yàn)室小試后建成了放大設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上于1993年完成了固定床中試試驗(yàn)。在進(jìn)行固定床中試的同時(shí)，大連化物所又提出了更新的技術(shù)路線，合成氣先轉(zhuǎn)化為二甲醚再制烯烴，擬采用更新的催化材料和流化床技術(shù)，大幅度提高烯烴產(chǎn)率。新技術(shù)路線于1991年被列為國(guó)家“八五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。劉中民博士畢業(yè)后正好趕上項(xiàng)目啟動(dòng)，負(fù)責(zé)二甲醚制烯烴催化劑研制。1995年中試試驗(yàn)完成，劉中民也成為團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人。中試結(jié)果很好，項(xiàng)目被中國(guó)科學(xué)院授予科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)?？上Ш镁安婚L(zhǎng)，周遭環(huán)境的變化令所有人措手不及。“當(dāng)時(shí)國(guó)際上每桶原油價(jià)格在10美元左右。假如企業(yè)采用甲醇制烯烴生產(chǎn)工藝，那與石油制烯烴相比成本就太高了，根本掙不到錢(qián)。因此，國(guó)家和企業(yè)對(duì)煤炭替代石油生產(chǎn)烯烴項(xiàng)目的積極性并不高?！眲⒅忻窕貞浾f(shuō)。資金的短缺讓團(tuán)隊(duì)的發(fā)展陷入了僵局，而申請(qǐng)的項(xiàng)目又在此時(shí)被否掉了。國(guó)外公司在了解情況后，希望與團(tuán)隊(duì)合作，申請(qǐng)國(guó)家項(xiàng)目。但在當(dāng)時(shí)的情況下，這樣的國(guó)際合作項(xiàng)目沒(méi)有人能批準(zhǔn)。國(guó)際合作的路不通，國(guó)內(nèi)呢？“那時(shí)我四處尋找實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，盼望與企業(yè)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，只求合作，不求回報(bào)?！眲⒅忻裾f(shuō)，但沒(méi)有一家企業(yè)看好這顆冉冉升起的“新星”。在這樣的背景下，甲醇制烯烴還有必要繼續(xù)做下去嗎？劉中民在思考。“當(dāng)然有必要?！眲⒅忻裆钚艊?guó)家總有需要它的時(shí)候。這是他接觸甲醇制烯烴的第13年，團(tuán)隊(duì)等著他找到項(xiàng)目資金維持“生計(jì)”，但我國(guó)資源稟賦的特點(diǎn)并沒(méi)有改變，前輩們傳遞的“接力棒”正握在他手中……
好在天無(wú)絕人之路，1998年，新的轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)了。
當(dāng)年，中國(guó)科學(xué)院主要領(lǐng)導(dǎo)8月到大連化物所視察，借助這個(gè)時(shí)機(jī)，劉中民將準(zhǔn)備好的報(bào)告遞交了上去。不久后，劉中民團(tuán)隊(duì)就收到了中國(guó)科學(xué)院特批的100萬(wàn)元科研經(jīng)費(fèi)。“100萬(wàn)元啊，雪中送炭，總算能做下去了。”劉中民笑著說(shuō)。他們用這筆錢(qián)充實(shí)了甲醇制烯烴的基礎(chǔ)研究、完善了技術(shù)環(huán)節(jié)，使得技術(shù)基礎(chǔ)更加牢固，同時(shí)繼續(xù)尋找進(jìn)一步放大試驗(yàn)的機(jī)會(huì)——這是技術(shù)進(jìn)入工業(yè)化的必要環(huán)節(jié)。2004年，國(guó)際油價(jià)有所回升，甲醇制烯烴的發(fā)展迎來(lái)新的機(jī)遇——大連化物所和陜西省達(dá)成了合作意向。“建設(shè)并運(yùn)行一套甲醇制烯烴的工業(yè)化試驗(yàn)裝置，少則五六千萬(wàn)元，多則上億元，是一筆很大的投入?！眲⒅忻窀嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“而陜西省礦產(chǎn)資源比較豐富，在得知我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出具有世界領(lǐng)先水平的甲醇制烯烴技術(shù)后，與我們一拍即合，一起開(kāi)展工業(yè)化試驗(yàn)。”2004年8月2日，總投資8610萬(wàn)元、年處理甲醇能力1.67萬(wàn)噸的大連化物所甲醇制烯烴技術(shù)工業(yè)化試驗(yàn)裝置，在陜西省華縣開(kāi)工建設(shè)。簡(jiǎn)稱(chēng)為什么是DMTO呢？“MTO是國(guó)際上對(duì)甲醇制烯烴的統(tǒng)一叫法，而D除了代表我們?cè)缙诘难芯俊酌阎葡N，還象征著大連?！眲⒅忻褡院赖卣f(shuō)。700多個(gè)日日夜夜，團(tuán)隊(duì)十幾人長(zhǎng)期堅(jiān)守在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)?？蒲腥藛T每天要在幾十米高的裝置上爬幾個(gè)來(lái)回，從嚴(yán)寒到酷暑始終如一。裝置上面的風(fēng)很大，最冷的時(shí)候寒風(fēng)陣陣不禁讓人顫顫巍巍。劉中民幾乎每天晚上都睡不踏實(shí)。遠(yuǎn)處的火炬成為了他的精神寄托——只要火還在燃燒，就說(shuō)明進(jìn)展順利。終于，2006年8月，在合作各方的共同努力下，DMTO工業(yè)化試驗(yàn)宣告成功。隨后，團(tuán)隊(duì)又和神華集團(tuán)合作，簽訂了60萬(wàn)噸/年甲醇制低碳烯烴技術(shù)許可合同。這是世界首套煤制烯烴技術(shù)許可合同，標(biāo)志著DMTO技術(shù)從前期的萬(wàn)噸級(jí)工業(yè)性試驗(yàn)向百萬(wàn)噸級(jí)工業(yè)化生產(chǎn)邁出了關(guān)鍵一步。“這次投資150多億元，是之前從未設(shè)想過(guò)的天文數(shù)字?！眲⒅忻駧ьI(lǐng)團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)戰(zhàn)包頭，投入到世界首套DMTO工業(yè)示范裝置項(xiàng)目中。當(dāng)包頭裝置投料試車(chē)一次成功時(shí)，團(tuán)隊(duì)的研究人員激動(dòng)得流下眼淚，劉中民長(zhǎng)期懸著的心也終于落了下來(lái)。隨著神華包頭項(xiàng)目正式進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，我國(guó)率先實(shí)現(xiàn)了甲醇制烯烴的核心技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用“零”的突破。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)又將甲醇制烯烴產(chǎn)物中重于碳四的組分回?zé)?，開(kāi)發(fā)了多產(chǎn)烯烴的DMTO第二代技術(shù)。2018年，中國(guó)科學(xué)院批準(zhǔn)依托大連化物所組織實(shí)施“潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)。專(zhuān)項(xiàng)集合了20余家能源領(lǐng)域研究所及大學(xué)優(yōu)勢(shì)研究力量，DMTO技術(shù)就是專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目之一。2021年7月，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)“雙碳”戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃，DMTO技術(shù)被寄予厚望。在先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)和“雙碳”戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃的支持下，DMTO第三代技術(shù)發(fā)展進(jìn)入快車(chē)道。與前兩代技術(shù)相比，第三代技術(shù)采用了新一代催化劑，通過(guò)對(duì)反應(yīng)器和工藝過(guò)程的創(chuàng)新可實(shí)現(xiàn)單套工業(yè)裝置甲醇處理量加倍，達(dá)到360萬(wàn)噸/年，對(duì)促進(jìn)煤炭清潔高效利用、緩解石油供應(yīng)緊張局面、保障我國(guó)能源安全具有重大意義。歷經(jīng)30余年的努力，今天的劉中民已兩鬢斑白。從四處找人投資的“毛頭小子”變成新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的技術(shù)帶頭人，此中每個(gè)細(xì)節(jié)他都記憶猶新。“我們真是從黑發(fā)人干成了白發(fā)人?！眲⒅忻裥χf(shuō)。看著研究從實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的一小瓶催化劑，逐級(jí)放大走到中試基地，再進(jìn)入工廠，劉中民頗有感觸。最開(kāi)始的研究團(tuán)隊(duì)，人數(shù)不及現(xiàn)在的20%，劉中民坦言前期“窮得只剩下精神”，整個(gè)團(tuán)隊(duì)之所以能堅(jiān)守下來(lái)，是因?yàn)閷?duì)國(guó)家戰(zhàn)略需求的執(zhí)著和對(duì)大連化物所文化的傳承。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。“轉(zhuǎn)化一代，開(kāi)發(fā)一代，前瞻一代。”這是大連化物所對(duì)DMTO研究的具體部署，也是刻在整個(gè)煤制烯烴團(tuán)隊(duì)心里的烙印。“煤制烯烴就像一根‘接力棒’，前輩在接力賽的時(shí)候把棒傳給了我，并寄予了很大希望，我是中間的傳承者，只能帶領(lǐng)大家繼續(xù)前行?！眲⒅忻癖扔髡f(shuō)。目前，DMTO技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第三代，成果轉(zhuǎn)化也成功走進(jìn)了內(nèi)蒙古鄂爾多斯和寧夏寧東基地。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)煤炭資源由“燃料型”向“原料型”轉(zhuǎn)變、產(chǎn)品由“一般加工”向“高端制造”轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。DMTO系列技術(shù)已經(jīng)簽訂了31套裝置的技術(shù)實(shí)施許可合同，烯烴產(chǎn)能達(dá)2025萬(wàn)噸/年，約占全國(guó)當(dāng)前產(chǎn)能的1/3，預(yù)計(jì)拉動(dòng)投資超4000億元。他們開(kāi)辟了以非石油資源生產(chǎn)低碳烯烴的新路線，開(kāi)創(chuàng)并引領(lǐng)了我國(guó)煤制烯烴新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。而DMTO的發(fā)展不止于此。未來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)烯烴的需求預(yù)計(jì)還會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)。在成果轉(zhuǎn)化方面，團(tuán)隊(duì)考慮支持在西部煤炭資源豐富地區(qū)，或其他如國(guó)家“北煤南運(yùn)”鐵路沿線合適的地方建設(shè)煤制烯烴工廠，保障國(guó)家烯烴供應(yīng)的地區(qū)平衡，也將該項(xiàng)技術(shù)出口至“一帶一路”沿線重點(diǎn)國(guó)家，打造國(guó)家能源化工名片。此外，團(tuán)隊(duì)還將不斷提高催化劑的效率，開(kāi)發(fā)更新的甲醇制烯烴技術(shù)，繼續(xù)保持我國(guó)甲醇制烯烴關(guān)鍵技術(shù)和工業(yè)化的國(guó)際領(lǐng)先地位。“服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略需求的‘接力棒’不可能一直在我手上，還需要下一代人繼續(xù)傳承下去?！眲⒅忻裾f(shuō)。
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