作者:韩扬眉 孙丹宁 来源:中国科学报 发布时间:2022/5/20 17:37:38
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煤制油技术“点燃”能源之光
中科院大连化学物理研究所新一代煤制油技术通过科技成果鉴定

 

2022年5月14日,大连是个晴天。中国科学院大连化学物理研究所丁云杰研究员下午一早便来到了办公室,同一团队的朱何俊研究员也早早的在会议室等候。

这天对他们说是个重要的日子,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。由于疫情的原因,鉴定会选择了线上会议模式,但这丝毫没有影响到研究团队的热情,他们将在这里带着“炭载钴基浆态床合成气制油技术”接受成果鉴定,也将迎接梦想的新篇章。

当委员会“通过”二字喊出的时候,丁云杰松了一口气。鉴定委员会还给出高度评价,该技术创新性强,整体技术达到国际先进水平。

回忆起当时的心情,他告诉《中国科学报》:“我很开心,20多年心血没有白费。”

一项创新性研究

我国的经济正在高速腾飞,而发展离不开丰富的自然资源。中国一直以来资源的基本特点为“富煤、贫油、少气”,经济的迅速发展使得石油的对外依存度持续增长,这对如何持久发展提出了一个难题。

而煤炭作为我国的主体能源,其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,那将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。当时的他刚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。朱何俊的加入也使得团队进一步壮大,这项技术也如同星星之火一样开始蓬勃发展。

世界上主要由铁基、钴基两种催化剂工艺产生的煤基合成油。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能耗大。而传统费托合成钴基催化剂存在价格昂贵,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CO2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,通过对催化剂体系、稳定性以及长时期运转等方面的研究,基础研究一步步完善。“我觉得我们的研究正在步入正轨。”朱何俊提到。

“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,真正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,同时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以供团队借鉴。团队经过了一段时间的努力,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。

但是另一个难题又随之出现了,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,尤其是长途运输到榆林途中,催化剂的成份是碳粉和硝酸盐,这是“炸药”主要成份之一啊!”丁云杰说,“我好几天都没睡着觉,都担心会不会发生什么危险。只好采用半干基催化剂运输”

就在这样紧张的情绪下,团队开始积极寻找破解之法,毕竟保障安全“刻不容缓”。通过在制备方法上进行了工艺改造,使得整体制备条件更适合实际的生产应用。在运输过程中,如果全部暴露在干燥的环境下,爆炸的几率肯定会提高。所以团队想到了使用半干半潮催化剂的运输机制,这大大降低了危险几率。

“我们迈出了工业化的第一步。”朱何俊笑着说。

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》。

催化剂焙烧还原活化过程中的温度、流量、压力等工艺条件都找了,问题发生在哪呢?

团队决定停掉生产,研究人员实际进入到催化剂焙烧和还原活化反应器里面,冒着高温实地探查问题在何处,通过对运行过后的设备状态进行分析,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。

这五年内,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,成功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

5月14日,科技成果鉴定会准时开始了。会上,委员会一致同意通过该项技术的成果鉴定。

鉴定通过后,团队都非常高兴。“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。”朱何俊笑着说。

这是由中国科学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。

该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的工作,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CO2的,这可以大大降低能耗,实现我们绿色生产的目标。”

“不过会上专家也给了我们一些思考。”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,市场价每吨高达三万六千元左右,即使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异,而每吨售价只有六千到七千元,产品附加值是不足的。这启发我们要进一步注重提高技术经济性”

丁云杰也提到:“现在的装置规模效应较小,会导致经济效益不佳的问题。”

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

朱何俊研究员(受访者供图)

 

丁云杰研究员(受访者供图)

 

 
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