文/中國石化上海石油化工研究院

“富煤、貧油,、少氣”是我國能源發(fā)展面臨的現(xiàn)狀，隨著經(jīng)濟的快速發(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)揮我國能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，減少對石油資源的高度依賴,。

經(jīng)過多年的開拓創(chuàng)新，我國已經(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)”項目榮獲2017年度國家科學(xué)技術(shù)進步獎一等獎,。該項目開發(fā)了用煤替代石油進行烯烴高效生產(chǎn)的全流程技術(shù)，使我國成為世界上第一個掌握甲醇制烯烴全流程技術(shù)自主知識產(chǎn)權(quán)的國家,，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國家的化學(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，偏偏我國的能源結(jié)構(gòu)特點是“富煤少油”,。根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù),，我國人均石油資源量僅為全球平均水平的18%，原油對外依存度已超過70%,；相比而言,，我國的煤炭資源十分豐富，儲量居全球第三位,。

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簡單來說就是使甲醇在催化劑的作用下,，經(jīng)過多個轉(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)工程與工藝的時空收率要高,，要在單位時間,、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現(xiàn)高選擇性是MTO技術(shù)研究開發(fā)的重點,。

該項目團隊率先創(chuàng)制了納米片晶多級孔SAPO-34分子篩。這種分子篩具有獨特的片狀多級孔結(jié)構(gòu),，能有效地促進擴散,，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。項目團隊根據(jù)流化床反應(yīng)器的工藝特點,，結(jié)合反應(yīng)動力學(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),，實現(xiàn)了催化劑積碳的精準控制,，積碳量變化幅度可控制在±0.2%以內(nèi)。

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

完成科學(xué)研究,、實驗開發(fā)、推廣應(yīng)用的三級跳

目前,，該項目已獲授權(quán)中國發(fā)明專利260件,、授權(quán)國際發(fā)明專利23件，發(fā)表SCI論文21篇； 獲中國石化科技進步獎特等獎,、上海市技術(shù)發(fā)明獎一等獎,、國家科技進步獎一等獎。 項目首次提出并證實了“烯烴活性中心”的MTO烴池反應(yīng)新概念,，率先發(fā)明了片狀多級孔催化材料,，創(chuàng)新開發(fā)了反應(yīng)-再生系統(tǒng)催化劑細粉高效脫除技術(shù)，首次實現(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小時后取得了合格的乙烯,、丙烯產(chǎn)品,，標定結(jié)果顯示，總體技術(shù)指標達到國際領(lǐng)先水平,。目前,，該裝置已連續(xù)運行9年以上，運行穩(wěn)定,、經(jīng)濟效益顯著,。2016年10月，中天合創(chuàng)360萬噸/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)合煤化等國內(nèi)多家公司進行應(yīng)用，并獲得國內(nèi)外多家公司的認可,。實踐表明：我國自主開發(fā),、設(shè)計、制造,、建設(shè),、運行的高效甲醇制烯烴全流程技術(shù)大型工業(yè)裝置達到了國際領(lǐng)先水平，實現(xiàn)了“世界領(lǐng)跑”,。

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