陳冰

在剛剛舉行的2017國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，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)目榮獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

獲獎(jiǎng)前夕，記者來(lái)到上海石油化工研究院一探究竟。獲獎(jiǎng)項(xiàng)目首創(chuàng)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全流程S-MTO技術(shù)，持續(xù)不斷創(chuàng)新，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)轉(zhuǎn)化，使我國(guó)成為世界上第一個(gè)掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全流程MTO技術(shù)國(guó)家，MTO同時(shí)也是我國(guó)在世界上處于完全主導(dǎo)地位的化工技術(shù)。

“上海智慧”解決能源難題

“富煤、貧油、少氣”是我國(guó)能源發(fā)展面臨的現(xiàn)狀。國(guó)際能源署數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)石油、天然氣人均資源量?jī)H為全球平均水平約18%和7%。我國(guó)原油對(duì)外依存度已接近60%。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)規(guī)模的擴(kuò)大和工業(yè)化水平的提高，資源供給的壓力還將持續(xù)增大，這一局面將嚴(yán)重影響我國(guó)的能源安全。

此外，我國(guó)的資源利用率不高。目前我國(guó)石油化工資源利用率低于世界平均水平，與世界先進(jìn)水平還有很大的差距，比如我國(guó)每年的碳四副產(chǎn)資源量高達(dá)1390萬(wàn)噸，而其化工利用率僅為30%，遠(yuǎn)低于60%～85%的世界先進(jìn)水平，帶來(lái)了資源的浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境的壓力。

上海石油化工研究院楊為民院長(zhǎng)指出，我國(guó)“富煤少油”的資源結(jié)構(gòu)決定了開發(fā)煤炭資源高效清潔利用技術(shù)，是當(dāng)前甚至未來(lái)實(shí)現(xiàn)能源、資源補(bǔ)充和替代的重要途徑。

經(jīng)過(guò)多年的努力，我國(guó)已經(jīng)開發(fā)和建設(shè)了煤制油、煤制烯烴、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。相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2025年，我國(guó)煤制烯烴將達(dá)到烯烴總產(chǎn)能的26%，發(fā)展煤制烯烴（MTO）可減少對(duì)石油資源的高度依賴，可以說(shuō)是煤代油戰(zhàn)略的核心。煤制烯烴的發(fā)展，既滿足了日益增長(zhǎng)的烯烴產(chǎn)業(yè)需求，又實(shí)現(xiàn)了煤炭的綜合清潔利用。

廣義的MTO，指的是經(jīng)由甲醇路線制取烯烴的一種工藝，它以煤或天然氣合成的甲醇為原料，借助類似催化裂化裝置的流化床反應(yīng)形式，生產(chǎn)低碳烯烴。簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，就是先將甲醇轉(zhuǎn)化成富含烯烴產(chǎn)品的氣，再將這些氣分離成乙烯和丙烯。

乙烯和丙烯是化學(xué)工業(yè)的基石，通常代表一個(gè)國(guó)家的化學(xué)工業(yè)水平，且與人們的生活息息相關(guān)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位。在農(nóng)業(yè)、汽車、國(guó)防、建筑和日用品中有大量應(yīng)用。

楊為民院長(zhǎng)指出，MTO發(fā)展的重大技術(shù)挑戰(zhàn)有“三高”，一是催化劑要高選擇性；二是流化床反應(yīng)工程與工藝要高時(shí)空收率；三是烯烴分離工藝要高回收率?！白詈笠粋€(gè)還要有安全環(huán)保節(jié)能的綜合技術(shù)?！睏顬槊裾f(shuō)，“這些重大MTO核心技術(shù)的突破體現(xiàn)了化學(xué)工業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新水平。”

這個(gè)項(xiàng)目歷經(jīng)十余年持續(xù)創(chuàng)新，率先創(chuàng)制了擴(kuò)散性能優(yōu)異的納米片晶多級(jí)孔SAPO-34分子篩，開發(fā)了高效流化床MTO催化劑；首次開發(fā)了MTO大型快速流化床反應(yīng)器技術(shù)；首創(chuàng)了前脫乙烷-碳四烴吸收的高效分離新工藝，解決了從實(shí)驗(yàn)室到大型化的高效反應(yīng)分離關(guān)鍵科學(xué)與工程技術(shù)問題。通過(guò)上述原創(chuàng)及重大技術(shù)突破，全流程S-MTO技術(shù)實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先。

2007年萬(wàn)噸級(jí)工業(yè)示范通過(guò)鑒定，2011年60萬(wàn)噸/年工業(yè)裝置成功運(yùn)行，2016年世界最大規(guī)模的360萬(wàn)噸/年工業(yè)裝置建成投產(chǎn)，近三年新增產(chǎn)值59.4億元，新增利潤(rùn)13億元，在國(guó)際上首次提出并證實(shí)“烯烴烴池活性中心”新概念，研究成果相繼發(fā)表于國(guó)際重要學(xué)術(shù)期刊，獲中國(guó)授權(quán)發(fā)明專利260件，國(guó)際發(fā)明專利23件。

S-MTO技術(shù)的成功開發(fā)，使我國(guó)成為世界上第一個(gè)掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)全流程MTO技術(shù)的國(guó)家，成套大型工業(yè)裝置的完全自主開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)、運(yùn)行，踐行了中國(guó)創(chuàng)造，具有里程碑的意義。

偶然發(fā)現(xiàn)的高效分子篩

從國(guó)外發(fā)表的專利看，MTO研究開發(fā)的重點(diǎn)主要集中在催化劑的改進(jìn)上，以提高低碳烯烴的選擇性。

Mobil公司最初開發(fā)的MTO催化劑為ZSM-5，其乙烯收率僅為5%。改進(jìn)后的工藝名稱MTE，即甲醇轉(zhuǎn)化為乙烯，最初為固定床反應(yīng)器，后改為流化床反應(yīng)器，乙烯和丙烯的選擇性分別提升到了45%和25%。

而UOP開發(fā)的以SAPO-34為活性組分的MTO-100催化劑，乙烯選擇性明顯優(yōu)于ZSM-5，使MTO工藝取得突破性進(jìn)展。其乙烯和丙烯的選擇性分別為43%～61.1%和27.4%～41.8%。國(guó)際上的一些知名石化公司都投入巨資進(jìn)行技術(shù)開發(fā)。

科學(xué)家們將各種金屬元素引入SAPO-34骨架上，得到稱為MAPSO或ELPSO的分子篩，這是催化劑改型的重要手段之一。金屬離子的引入會(huì)引起分子篩酸性及孔口大小的變化，孔口變小限制了大分子的擴(kuò)散，有利于小分子烯烴選擇性的提高，形成中等強(qiáng)度的酸中心，也將有利于烯烴的生成。

中國(guó)石化上海石油化工研究院研究七部副主任、教授級(jí)高工劉紅星博士及其研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的潛心專研，在一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)了納米片晶多級(jí)孔SAPO-34分子篩，從而開發(fā)出了高性能的催化劑，顯著提升了乙烯+丙烯的選擇性，同時(shí)大幅降低了催化劑的消耗。

記者在上海石油化工研究院的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室見到了這種像食鹽一樣的片狀晶體多級(jí)孔SAPO-34分子篩，很難想象它是劉紅星及其研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)了數(shù)千次試驗(yàn)才尋找到的優(yōu)秀分子篩。站在價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的分子篩制備機(jī)器前，劉紅星感慨，自己從事甲醇制烯烴項(xiàng)目17年，起先項(xiàng)目并不受關(guān)注，也沒有什么成果產(chǎn)生，一直是在“寂寞中堅(jiān)守，默默地做好自己的工作”。

從美國(guó)人首先發(fā)明了立方體SAPO-34分子篩，到上海石油化工研究院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制納米片晶多級(jí)孔分子篩，一晃就是十年光陰?！皩?duì)于搞科研的人來(lái)說(shuō)，十年出一個(gè)成果實(shí)在太正常不過(guò)?！眲⒓t星坦言，天道酬勤。正是創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的勤奮工作，才讓機(jī)會(huì)來(lái)到的時(shí)候能夠脫穎而出。

高效的反應(yīng)器技術(shù)

甲醇制烯烴的技術(shù)，說(shuō)得簡(jiǎn)單一點(diǎn)就是甲醇在分子篩催化劑作用下脫水生成二甲醚、甲醇和水的混合物，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化生成烴類混合產(chǎn)物，再經(jīng)過(guò)分離和提純后得到乙烯、丙烯和輕質(zhì)燃料等。

中國(guó)石化上海石油化工研究院牽頭完成的S-MTO技術(shù)在催化劑、反應(yīng)器、分離工藝方面都有別于同類技術(shù)，實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先。

雖然國(guó)內(nèi)外MTO的工藝流程區(qū)別不大，都采用流化床反應(yīng)器，但是和湍動(dòng)流化床相比，該項(xiàng)目開發(fā)的變徑快速流化床反應(yīng)器的直徑減少了三分之一，反應(yīng)時(shí)空收率卻提升了2倍，真正體現(xiàn)了高效的技術(shù)特點(diǎn)。

同類技術(shù)采用的是前脫丙烷分離工藝，該項(xiàng)目則首創(chuàng)了高效MTO烯烴分離新工藝，設(shè)計(jì)開發(fā)了前脫乙烷、C4烴回收乙烯、含氧化合物脫除等關(guān)鍵技術(shù)和分離工藝，使得吸附劑的消耗大幅降低，分離能耗降低，產(chǎn)品回收率高達(dá)99.98%（同類技術(shù)回收率99.7%）。別小看了這提升的0.28個(gè)百分點(diǎn)，一年就可以多產(chǎn)生上千萬(wàn)元的利潤(rùn)。

楊為民院長(zhǎng)指出，為了大力發(fā)展綠色清潔、環(huán)境友好的新技術(shù)和新產(chǎn)品，科學(xué)家們一直在不斷進(jìn)行生產(chǎn)技術(shù)的升級(jí)、節(jié)能低碳新技術(shù)的開發(fā)。投入大量資金進(jìn)行催化劑生產(chǎn)裝置環(huán)保模塊的建設(shè)，就是為了將有毒有害的物質(zhì)全部回收，真正做到零排放。

2011年10月，中原石化采用自主S-MTO成套技術(shù)建成甲醇進(jìn)料60萬(wàn)噸/年的工業(yè)示范裝置，至今已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行6年以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2016年10月，世界最大甲醇制烯烴工廠——中天合創(chuàng)360萬(wàn)噸/年裝置在內(nèi)蒙古鄂爾多斯建成并投產(chǎn)，這標(biāo)志著MTO這批技術(shù)領(lǐng)先、環(huán)境友好的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型煤化工成套技術(shù)已經(jīng)成功產(chǎn)業(yè)化。

楊為民說(shuō)，企業(yè)科研院所在實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略中應(yīng)當(dāng)發(fā)揮兩個(gè)層面的作用。一是針對(duì)當(dāng)前，要為企業(yè)做好技術(shù)支撐?？蒲袉挝灰獮槠髽I(yè)提質(zhì)增效、節(jié)能減排、綠色發(fā)展、產(chǎn)品升級(jí)提供技術(shù)支撐，幫助企業(yè)突破實(shí)際生產(chǎn)中制約發(fā)展的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)改造，使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)形成新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

二是面向未來(lái)，做好技術(shù)“引領(lǐng)”。科研單位要發(fā)揮科研基礎(chǔ)雄厚、創(chuàng)新資源集中的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，加強(qiáng)前沿技術(shù)和基礎(chǔ)研究，把握未來(lái)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向，為培育戰(zhàn)略新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)提供“引領(lǐng)”技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)從“跟跑者”向“并行者”“領(lǐng)跑者”的轉(zhuǎn)變。