从实验室到工业化示范生产 打开煤化工产业新窗口
日期：2021-06-10 来源：山西日报 作者：沈佳 李清波
煤变油是几代煤化工科学家的梦想，中国科学院山西煤化所经过数十年来科学研究，厚积薄发，实现了中国煤液化合成油技术的大规模产业化，满足了国家重大战略需求。能否扩展产品群和延伸产业链，发展高附加值化学品？科学家仍在思考。基于费托合成的本征机理，此路线易获得直链的α-烯烃（Linear α-olefins，LAO）或伯醇，特色化新产品，正是弥补煤化工技术路线的短板。作为费托合成技术的实践者之一，煤化所研究员陈建刚团队开始了费托合成路线α-烯烃制备、分离和应用的探索研究，敲开煤液化合成油技术的侧门，打开一扇“新精细化工”窗。2021年，合成气制α-烯烃300吨/年固定床的工业示范研究成功实施，意味着中国科学家即将立足国内产业，保供α-烯烃产品，打破了欧美公司对这一产品的技术壁垒。
工业佳肴里的“调味品”
α-烯烃是聚烯烃产业升级、PAO润滑油生产及日化原料供应的关键原料。商业化的生产技术主要有乙烯齐聚、蜡裂解、混合C4分离、费托合成等。在众多α-烯烃制备技术中，乙烯齐聚法是目前全球最为广泛的工艺，其碳数分布是从C4到C30+，都是偶碳数烯烃；蜡裂解烯烃成分复杂，α-烯烃纯度低；最后一个技术，费托合成具有合成产物中α-烯烃含量高的特点。LAO生产技术及产能主要掌握在Shell、Sasol、INEOS等全球知名企业手中，总产能近500万吨，我国占比不足2%。虽然国内需求巨大，但国际石油巨头一直对我国封锁α-烯烃合成技术，严重限制了我国聚烯烃、PAO、洗涤剂等应用产业的升级，是国内亟待发展的“卡脖子”技术。
煤化所研究人员注意到，α-烯烃虽是费托合成过程中伴生的含量不多的化合物，其重要性却不可忽视。“从下游厂商那里得到的反馈信息，α-烯烃很重要，在多个产业中，是制造高端产品必不可少的那点味精。我国很多化工原料卖不出高端化学品的价格，差的就是那一道调味品——α-烯烃。据了解，α-烯烃在聚烯烃、高档润滑油PAO，洗涤剂都必不可少，极为关键，售价高达2万元/吨，而且进口需求很大。
如果打通费托法制取α-烯烃的路线，实现量产，并完善工艺技术，就有可能发展出一条独立自主、不再受制于人的产业路线。随着技术进步，价格降下来，作为不可或缺的中间原料，将给下游化工产品转型换代提供坚实的物质基础。
在相邻的科技树上寻找灵感
煤化工产品分为两个时代，早期的代表产品焦炭、煤焦油、PVC、合成氨和甲醇等，而新型煤化工以生产洁净能源和可替代石油化工产品为主，如煤制油、煤制天然气、煤制烯烃、煤制乙二醇等。新型煤化工方兴未艾之际，已遭遇到产能过剩、原料压减的大环境，如何找到创新的研发和产业方向？一次偶然的机会，陈建刚翻到一本关于石油润滑油的小册子，上面介绍了石油化工领域的最新进展，仅有半页纸篇幅介绍了国外跨国企业大规模制备α-烯烃的新闻，α-烯烃进入他的视野。随着更多信息的整合和分析，他认为，α-烯烃是一项十分关键的卡脖子技术，市场需求更加迫切，朝着这个方向努力大有可为，研究所应该探索这条路。
十几年来，这道关键“调味品”的制造工艺被牢牢得控制在跨国企业巨头手中。国内也有石油企业在尝试打破技术封锁，做出乙烯齐聚法制取α-烯烃路径，仍无法满足国内产业对α-烯烃的强劲需求。石油化工和煤化工看似是两个完全不同的资源条件下的不同产业，但两者的工艺途径和关键技术却有相通之处。越往下游延伸，石油化工和煤炭化工的交集就越多。
石油化工的努力举步维艰，那煤化工这株科技树上能否结出α-烯烃的果实？不同于煤液化合成油、甲醇制烯烃(MTO)，α-烯烃的研制之路则是一条全新的技术路线，需要开发全新的催化剂和分离工艺，技术路线的选择尤为关键。
基于研究团队的研发积累，陈建刚决定从费托法入手，与上市公司三聚环保紧密结合，依靠企业的支持，研发工作显著加快。2017年，三聚环保与中科院山西煤化所合作开发合成气制长链α-烯烃技术，开发出用于合成气直接制备α-烯烃的新型高效催化剂。凭借着扎实的基础研究理论，凭借对合成工艺的深刻理解，α-烯烃走上了从实验室到工业放大之路。
板凳甘坐十年冷
2020年，在内蒙古自治区实施的“'科技兴蒙’行动战略”政策的大力支持下，三聚环保投资兴建的α-烯烃费托合成工业示范装置，与中科院山西煤化所、内蒙古聚实能源、上海寰球等公司合作，在国内开展合成气制α-烯烃300吨/年固定床的工业示范研究。吨级规模的催化剂放大研究完成，实现了催化剂6000小时单管稳定运行。一举成功源于对创新思路的严格论证，源于对化学机理的通透理解，源于海量、扎实的实验数据分析。
熔铁催化剂是合成气制α-烯烃技术的核心，研发团队成员张娟介绍：“我们在进行催化剂评价时，要保证物料平衡在97%～103%，催化剂配方经历几百次的重复，数十次的6000小时寿命运转日夜不停。每次实验都会遇到形形色色的意外，仍要保证实验评价结果可以重复，如果不能重复，就要分析该制备过程中出现了什么问题，是哪些因素导致无法重复，哪些因素是实验的敏感因素，就靠着这样的摸索一步步练就了技术的基本功。”此外，在实验运行过程中，不仅仅涉及催化专业的知识，还离不了其他支撑领域，包括实验室设备、反应器、分析色谱仪器的维修，基本上都靠实验室人员自己动手解决，这节约了成本，发扬了自力更生精神，保证了研发实验的多快好省。
“从实验室最小的规模催化剂装填量1ml，到立升级反应催化剂装填量500ml，再到300吨规模的中试，我们都能保持实验数据一致。尤其是中试装置一次性成功开车，都表明我们团队在该领域扎实的工作基础”。谈及下一步的工作，陈建刚认为还要对标国际大公司，努力向认识更深、数据更真的科学目标进军。他念念不忘“Shell敢于将100mL的实验室工艺进一步放大到50万吨年产能，这反映出科学家踏踏实实做应用基础研发、板凳甘坐十年冷的科学家精神，是值得大家认真学习，这也是国家对科技工作者时代要求。”