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煤制油技术:把能源命脉攥在手里

2021-12-01 10:18:29 中国科学报

日前,“400万吨/年煤间接液化成套技术创新开发及产业化”项目获得国家科学技术进步奖一等奖。

这一全球单体规模最大的400万吨/年煤间接液化项目是如何诞生的?自主核心技术高温浆态床费托合成工艺与催化剂难题又是如何攻克的?

项目第二完成人、中国科学院山西煤炭化学研究所(以下简称山西煤化所)研究员、中科合成油技术有限公司首席科学家李永旺领导并见证了二十多年来煤制油技术创新开发的全过程。

艰难追逐“人造石油”梦

2016年12月5日22时16分,神华宁煤400万吨/年煤制油工程Ⅰ系列油品合成装置费托合成反应器开始投料,23时50分各项指标分析合格,煤制油全流程被打通。

在德国科学家费歇尔和托普森发现费托合成反应近百年后,我国完全掌握了百万吨级煤炭间接液化工程的工业核心技术,成为全世界少数掌握该技术的国家之一。

实际上,这项发达国家无不渴求的关键技术,在我国曾多次遭受冷遇,险些熄灭火种。

1953年,中国科学院煤炭研究室(山西煤化所前身)在成立的同时,就开展4500吨/年熔铁催化剂流化床合成油试验。但在这个关键时刻,大庆油田的发现让中国放弃了对“人造石油”的探索。

改革开放后不久,世界石油危机爆发,我国又很难再找到第二个大庆油田。富有远见的能源科学家再次将眼光落在了煤制油上。

在鲍汉琛和张碧江两任所长的组织下,山西煤化所开始攻关煤炭间接液化的固定床两段法合成汽油工艺技术,研发持续了十余年后,于1993~1994年在山西晋城化肥厂完成了2000吨/年工业试验,产出90号汽油产品。但由于油价低迷、科研经费短缺、技术经济性差等原因,试验随后处于暂时停滞状态。

1997年冬天,李永旺被召回国。刚踏入国门的他就被山西煤化所时任所长钟炳急切地召集到办公室。“所有参加煤制油攻关的课题组都处于解散的边缘,你回来负责煤制油技术开发,人员随你调,队伍不能散。”钟炳这番话让李永旺不由得倒吸一口凉气。

李永旺首先把与合成油相关的5个课题组整合在一起,并决定在合成工艺的主攻方向作出重大转变,由原来的固定床费托合成油工艺改变为更为先进的浆态床费托合成油工艺。

任务调头,困难加倍。1998年,实验室成功研制出高性能低温浆态床费托合成铁基催化剂,同时蜡催化剂分离技术也获得重大进展,浆态床煤制油工艺的技术经济性瓶颈得到突破。

李永旺仔细分析了从煤到成品油全流程工艺,认为如果浆态床费托合成能够在较高温度下进行,就能充分利用费托合成反应热,提高煤制油的整体能量利用效率。由此,他在国际上首次提出全新的高温浆态床费托合成油概念和工艺技术。

在合成油装置放大规模上,李永旺觉得,千吨级浆态床煤制油装置是具有代表性的最小规模,而这已是实验室小型装置的2000倍。要往前走,至少需要8000多万元的科研投入。这对他们来说几乎是天方夜谭。

煤制油走出实验室

在李永旺回国前,他的老师、化工工程专家Froment教授意味深长地说:“可以预见的是,10年内煤制油在中国可能会有大动作,而这个技术要想达到工业化,至少需要10年。回去吧,小伙子,我教给你的动力学与反应器知识也许会有用。”

“那时真是到了山穷水尽的地步,我们的科研经费也花得差不多了,眼看实验室就要赤字运行了。”2001年7月,苦于无工业中试阶段经费的李永旺与时任山西煤化所所长孙予汉向中科院汇报了煤制油技术的研发处境。之后,煤制油项目被列为首批启动的中科院知识创新工程重大项目,并得到3000万元经费支持,这也促进了科技部“863”计划“煤制油”重大项目的启动。

2002年9月,千吨级工业中试试验装置建成并试车成功。一石激起千层浪。煤制油中试装置成功出油的消息获得全行业的高度关注,山西潞安集团、中国神华集团、徐州矿业集团等纷纷前来考察,要求投入资金进一步完善煤制油中试技术。

2006年2月,由山西煤化所、内蒙古伊泰集团、神华集团、山西潞安矿业集团、徐州矿务集团和连顺能源共同投资,成立中科合成油技术有限公司,之后在工程化实施过程中又相继成立中科合成油工程有限公司和中科合成油催化剂有限公司。

“一项技术必须经过‘实验室—工业中试试验—工业化示范—大规模工业化示范—商业化大规模生产’这样一个过程。”李永旺对《中国科学报》说,煤制油是一项非常复杂的系统工程,涉及几百个专科、上千个节点,每一个点上都有对应的专门人员。而他所在的单位,掌握着成套的核心煤制油工艺和催化剂生产配方技术,一个人走了,不仅会导致技术外流,整个项目也得从头再来,损失无法估量。

李永旺将市场经济同国际上先进的奖励制度结合起来,研究出一套新型的激励制度。从最初的三五个人到后来的1000多人,他的团队就像一块巨大的磁铁,不断将科研行业精英吸引到身边。2008年初,科技团队通过借贷方式投资拥有了公司部分股份,解决了科技人员的吸引、稳定和长期激励等问题。

股权社会化就像化学反应中的催化剂,加快了科研成果转化的反应速度,为煤制油示范厂建设运行插上腾飞的翅膀。

百年梦终成现实

回国不到十年,李永旺已经按照与导师的约定,将煤制油技术向工业应用方面推进了一大步。

2009年,春寒料峭的内蒙古鄂尔多斯草原上,我国第一个16万吨/年煤炭间接液化示范装置试车成功,乌黑的煤炭化作清澈的柴油喷涌而出。2011年开始建设世界单套最大规模400万吨/年煤制油商业示范装置;2016年建成并实现了一次性开车成功;2017年又相继建成投产了内蒙古伊泰杭锦旗120万吨/年和山西潞安100万吨/年两个百万吨煤制油装置……

随着工厂规模越来越大,李永旺团队的关注点也发生了变化。“我们技术基本成熟,下一步就要向着大型综合一体化、产品多元化高值化方向发展,装置规模向500万吨级或1000万吨级的综合一体化方向发展,加快技术升级步伐,形成柴油—汽油—航油—润滑油—化学品联产成套新技术,争取2025年煤基合成油替代石油能力达到2000万吨以上。”

尽管技术突飞猛进,煤制油的外部环境却扑朔迷离。一方面煤炭和石油的价格始终影响着煤制油技术、工艺的发展速度;另一方面煤化工项目对二氧化碳减排的要求也越来越紧迫。

“煤制油在油价高时还有利润,油价低、煤价高时利润空间就小了。”谈到煤制油的外部环境时,李永旺对记者说,“现在全球能源价格体系比较混乱,不好预测,以前国际原油连续10年都在每桶100美元以上,最近几年下降到60美元左右,现在又涨到80多美元,但国内煤价又突然涨了二三倍,变化太大。”

为了抑制煤价、油价波动对企业造成的风险,只能通过技术创新,要把技术做精做细,提高经济效益,而创新则是技术发展的源头和不竭动力。

李永旺表示,该团队目前正在延伸产品链上下功夫,深加工生产高值的特种燃料、润滑油、溶剂油、高熔点费托蜡,如潞安除生产柴油、石脑油、LPG外,还生产出高值的太行牌润滑油、系列牌号的高熔点费托蜡等产品;伊泰也生产出了C6-C8的单质正构烷烃溶剂油。

“在未来新上的煤制油项目上,我们将进一步提高其能源综合利用效率,将碳减排技术与煤制油技术相耦合,尽最大努力减排二氧化碳,同时满足国家对油气的重大核心需求。” 李永旺说。

对于煤制油未来前景,他认为,在短中期内我国油气短缺的局面较难改变,煤制油满足国家油气的核心需求是第一位的,煤制油至少在二三十年内仍然会发挥重要的作用。

放眼长远,李永旺提出了一套发展思路——技术研发重点将逐步由制油为主转变为制高值化学品和材料为主,并进一步加大低质褐煤、生物质、有机垃圾等含碳资源的能源转化,以实现新的技术革命。




责任编辑: 张磊

标签: 煤制油

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