作者:甘晓 来源:中国科学报 发布时间:2015/11/23 9:47:35
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低碳醇合成独辟新路径
千吨级煤基合成气制低碳醇工业侧线试验完成

 

■本报记者 甘晓

作为一种新型的汽油添加剂和良好的洁净燃料,低碳醇的高效、清洁合成一直是化工科学家追寻的目标。然而,传统合成方法中,高温、高压的苛刻合成反应条件或使用贵金属催化剂的高成本工艺导致其规模化生产面临相当大的挑战。

最近,在中科院“低阶煤清洁高效梯级利用关键技术与示范”先导专项和科技部“863”课题的支持下,中科院山西煤炭化学研究所与中国神华煤制油化工有限公司合作完成了千吨级煤基合成气制低碳醇工业侧线试验。

在科学家们看来,这一进展开辟了低碳醇多联产工艺合成的全新途径,也成为产研成功合作的典范。

以“高产”和“温和”取胜

10月22日,位于神华集团包头煤化工公司的一套工业侧线装置已连续运转1000多个小时。事实上,大约在一个月前,身在试验现场的中科院山西煤化所研究员房克功从现场采集的数据中得知,试验结果有望优于预期。好消息通过“团队日报”发到了在外地出差的神华包头煤化工公司总工程师姜兴剑那里。姜兴剑告诉《中国科学报》记者,整个团队都为此感到很兴奋。

抱着严谨务实的科学态度,试验团队仍然按计划让装置继续运行1000小时以上,圆满完成了工艺过程高负荷稳定性运转考核验证。

煤基合成气是以煤为原料制取的气体,主要成分是氢气和一氧化碳。低碳醇则由氢气和一氧化碳在特定条件下合成,催化剂表面原料气的转化率和选择性决定了目标产物低碳醇的产率。

房克功告诉《中国科学报》记者,传统合成方法的反应温度及压力一般在280摄氏度和8兆帕以上,反应条件苛刻并且催化剂价格较高,高成本、低产量的工艺技术使其过程经济性不高,一直制约着低碳醇合成的规模化工业应用。

而此次试验结果显示,这套工艺在相对温和的反应条件下,使一氧化碳转化率达到85%以上,日产15吨低碳醇,并进一步分离得到多种产品。“反应温度为230到260摄氏度,压力为6.0兆帕,工艺条件趋于温和化,低碳醇产量更高。”房克功说。

科学家与工程师的两大“利器”

此次低碳醇合成的新技术使用了山西煤化所和神华集团的两大“利器”:一是催化剂,二是分离技术。

新技术使用的催化剂为山西煤化所自主研发的铜基催化剂,价格廉价,具有活性好、机械强度高、无环境污染、制造成本低、重复性好等优点,其成本和工艺接近合成甲醇催化剂。

该试验于2014年打通工艺流程后,对关键工艺过程进行了优化。“特别是在试验运转初期,氢气与一氧化碳在催化剂表面的剧烈反应会放出大量热量,我们发现在这一阶段催化剂床层容易出现难以移除的‘热点’,带来了巨大的安全隐患。”房克功说。

全程参与该试验的姜兴剑告诉《中国科学报》记者,在问题面前,科学家们勇敢面对,没有丝毫犹豫地投入了解决问题的工作中。“我们对科学家们百折不挠、上下求索的科学精神非常佩服。”

科研人员终于找到解决方案,即通过改变催化剂填装方式,优化开车运行方案,平稳避开了反应初期的风险。

在分离步骤中,则采用神华集团主导开发的“9塔1器”的流程,即九个精馏塔外加一个膜分离组,实施以精馏——萃取——膜分离相结合方法,成功获得高纯度的甲醇、乙醇、丙醇及丁醇等化工产品。

开放的“产研”合作姿态

近年来,山西煤化所围绕煤炭清洁高效利用开展了扎实的基础研究,也在院地合作上收获颇丰。煤制乙醇、低碳醇技术的研发便是典型案例。

房克功回忆,起初,合成气制低碳醇技术在实验室取得成功后,研究人员认为,科技创新只有用在实际生产中,才能发挥更大价值。因此,他们开始主动走出去,寻求合作企业,最终与河南煤业集团和山西潞安矿业集团结缘。在取得初步成果后,荷兰皇家壳牌石油公司抛出了橄榄枝。

2011年前后,中国神华煤制油化工有限公司主动找上门洽谈该技术后续全方位的合作开发事宜,得到了前期合作伙伴的一致赞同。

对此,山西煤化所创造性地提出了一套多边合作机制,解决了产权分配等问题。“所里负责知识产权的部门给予了极大的支持,让我们始终有开放的姿态。”房克功表示。

几年来,姜兴剑深刻地感受到新技术为企业带来的好处。“科学家们在前沿技术的开发上具有企业不可比拟的实力,这些技术能够让企业获得更大的效益。”

未来,双方期待开展更大规模的低碳醇合成工业试验,让实验室技术早日走上生产线。

《中国科学报》 (2015-11-23 第4版 综合)
 
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