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新一代煤制油技术“点燃”能源之光

2022-05-25 08:45:02 中国科学报   作者: 记者 韩扬眉 实习生 孙丹宁  

2022年5月14日,大连是个晴天。中科院大连化学物理研究所研究员丁云杰早早便来到办公室,同一团队的研究员朱何俊也早已在会议室等候。

这天对他们来说是个重要的日子,中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定会将在下午举办。受疫情影响,鉴定会采用线上会议模式,但这丝毫没有影响研究团队的热情,他们将带着“炭载钴基浆态床合成气制油技术”接受成果鉴定。

当鉴定委员会表示鉴定“通过”后,丁云杰松了一口气。鉴定委员会评价该技术创新性强,整体技术达到国际先进水平。

“我很开心,20多年心血没有白费。”回忆起当时的情景,丁云杰告诉《中国科学报》。

一项创新性研究

我国经济的高速发展离不开丰富的自然资源。一直以来中国资源的基本特点为“富煤、贫油、少气”,经济的迅速发展使得我国石油的对外依存度持续增长,这是持久发展的一个难题。

煤炭是我国主体能源,以其为基础产生的煤制清洁燃料和化学品对于实现石油化工原料替代、油品清洁化和煤炭清洁高效利用,以及保障国家能源安全具有战略意义。这让丁云杰和朱何俊团队找到了研究方向,如果能发展煤制油技术,将在一定程度上缓解我国石油供应不足的现状。

“我们最早开始做这项炭载钴基催化剂的研究应该是1999年。”丁云杰说,当时他刚从美国完成博士后研究归来,便立即投入到了煤制油技术工艺的研究中。朱何俊的加入使得团队进一步壮大,这项技术也开始发展。

目前,世界上主要由铁基、钴基两种催化剂工艺生产煤基合成油。铁基催化剂密度大、催化效率较低,反应产生的二氧化碳选择性较高,大量的二氧化碳循环会导致巨大能耗。而传统费托合成钴基催化剂价格昂贵,液体产品选择性较差,制约了其工业应用。如何才能研制出具有优异性能的钴基催化剂?

在夜以继日的努力下,研究团队研制出了炭载钴基催化剂。它具有较高的活性、较低的甲烷选择性、极低的二氧化碳选择性、良好的稳定性,运行不产生废催化剂,与传统的铁基催化剂相比,可以降低运行能耗、省去脱碳单元,实现低固废甚至无固废的绿色环保目标。

在实验室阶段,研究人员对催化剂体系、稳定性以及长时期运转等进行了研究。“我觉得我们的研究正在步入正轨。”朱何俊说。

“几个晚上都没睡着觉”

然而,研究团队不仅仅满足于基础研究。“我们更想把它用在工业生产方面,这样才能使这项技术发挥更大的作用。”朱何俊说。

从实验室到生产车间,要想将该项技术投入生产中,就免不了要进行放大研究。要将催化剂从实验室规模放大至1000倍才能真正投入到工业示范研究中,还要保障催化剂的活性和稳定性,这给研究团队带来了不小的难题。

首先是炭载体的处理。工程上要采用放大转炉装置才能高效处理碳载体,然而作为一项原创性技术,国内并没有成熟的工程可供参考,国际上也没有相关经验可供团队借鉴。于是,团队自己研发了一套转炉装置,在高温氢气微正压下实现平稳运行。

此外,整个工艺都是在高温的环境下进行的,生产过程中的氢气是一种易燃易爆的气体,危险性较高,生产条件十分苛刻。

“而且干燥催化剂很容易自燃,尤其是在长途运输过程中。催化剂的成分是碳粉和硝酸盐,这是“炸药”的主要成分之一。”丁云杰说,“我好几天都没睡着觉,担心会不会发生什么危险。最后只好采用半干基催化剂方式运输。”

保障安全“刻不容缓”,团队开始积极寻找破解之法。他们通过在制备方法上进行工艺改造,使得整体制备条件更适合实际的生产应用。运输过程中催化剂暴露在干燥环境下,爆炸概率会提高,于是团队想到了使用半干半潮催化剂的运输机制,这大大降低了危险概率。

“我们迈出了工业化的第一步。”朱何俊说。

2015年,实验流程打通,钴基费托合成煤制油技术投入到实际的流态化生产中,但是在生产现场,设备却怎么也达不到生产要求,出现了“水土不服”的现象。

“我们最初找不到问题根源,那个时候很头疼。”朱何俊告诉《中国科学报》。

团队决定暂停生产,研究人员进入催化剂焙烧和还原活化反应器里面,在高温下实地探查问题来源。通过对运行过后的设备状态进行分析,研究团队终于查找到问题,并提出解决方案。经过6个月的设备改造,催化剂生产开始走向正常化流程。

随后在2016年到2020年的4年里,研究团队又进行了多次内部过滤器改造。

“我们总共在6个单元做了22项改造。”煤制油装置的合作单位——陕西延长石油榆林煤化有限公司工程部经理张马宁介绍。

几年内,该设备由2016年的40%负荷生产,到2018年达到80%,最终在2020年实现100%负荷运营,完成了工业化的指标。

装置的满负荷成功运行,为我国煤炭高效转化制清洁燃料和高值化学品提供了原创技术和解决方案,标志着我国在煤炭资源综合洁净利用领域上了一个新台阶。

向提高技术经济性进发

“经过了总共20多年的研究,以及8年工业示范现场的磨练,努力终于有了收获。”相关技术成功通过科技成果鉴定后,朱何俊说。

这是由中科院大连化学物理研究所、陕西延长石油榆林煤化有限公司、北京石油化工工程有限公司共同开发建设的新一代煤制油装置,是全球首套具有自主知识产权的炭载钴基浆态床合成气制油工业示范装置,现已实现达产达效。其成功运行将为后续大型商业化装置的建设提供坚实的技术支撑。

“我们整个团队合作起来是顺利的,丁老师和朱老师都很认真负责,经常在现场没日没夜地工作,遇到问题当场就会给出意见,通过鉴定也是我们团队合作的胜利。”张马宁对于设备的成功运行十分开心,“并且钴基催化剂费托合成中是不产生二氧化碳的,这可以大大降低能耗,实现绿色生产目标”。

“不过会上专家也给了我们一些启发。”朱何俊告诉《中国科学报》,“比如专家提到有的公司进口的高熔点蜡,市场价每吨高达3.6万元左右,目前该装置生产的高熔点蜡的组成、性能指标与进口蜡相差无几,每吨售价也只有6000到7000元,产品附加值不足。这启发我们要进一步注重提高技术经济性。”

丁云杰也表示:“现在的装置规模效应较小,会导致经济效益不佳的问题。”

在后续的研究中,团队会尽量降低物耗能耗,加快费托合成产品的高附加值综合利用技术研究,尽快推进大型商业化项目的实施。




责任编辑: 张磊

标签: 煤制油技术

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