2022年5月14日，大連是個(gè)晴天。中科院大連化學(xué)物理研究所研究員丁云杰早早便來(lái)到辦公室，同一團(tuán)隊(duì)的研究員朱何俊也早已在會(huì)議室等候。

這天對(duì)他們來(lái)說(shuō)是個(gè)重要的日子，中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的科技成果鑒定會(huì)將在下午舉辦。受疫情影響，鑒定會(huì)采用線上會(huì)議模式，但這絲毫沒(méi)有影響研究團(tuán)隊(duì)的熱情，他們將帶著“炭載鈷基漿態(tài)床合成氣制油技術(shù)”接受成果鑒定。

當(dāng)鑒定委員會(huì)表示鑒定“通過(guò)”后，丁云杰松了一口氣。鑒定委員會(huì)評(píng)價(jià)該技術(shù)創(chuàng)新性強(qiáng)，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

“我很開(kāi)心，20多年心血沒(méi)有白費(fèi)。”回憶起當(dāng)時(shí)的情景，丁云杰告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

一項(xiàng)創(chuàng)新性研究

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展離不開(kāi)豐富的自然資源。一直以來(lái)中國(guó)資源的基本特點(diǎn)為“富煤、貧油、少氣”，經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展使得我國(guó)石油的對(duì)外依存度持續(xù)增長(zhǎng)，這是持久發(fā)展的一個(gè)難題。

煤炭是我國(guó)主體能源，以其為基礎(chǔ)產(chǎn)生的煤制清潔燃料和化學(xué)品對(duì)于實(shí)現(xiàn)石油化工原料替代、油品清潔化和煤炭清潔高效利用，以及保障國(guó)家能源安全具有戰(zhàn)略意義。這讓丁云杰和朱何俊團(tuán)隊(duì)找到了研究方向，如果能發(fā)展煤制油技術(shù)，將在一定程度上緩解我國(guó)石油供應(yīng)不足的現(xiàn)狀。

“我們最早開(kāi)始做這項(xiàng)炭載鈷基催化劑的研究應(yīng)該是1999年。”丁云杰說(shuō)，當(dāng)時(shí)他剛從美國(guó)完成博士后研究歸來(lái)，便立即投入到了煤制油技術(shù)工藝的研究中。朱何俊的加入使得團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步壯大，這項(xiàng)技術(shù)也開(kāi)始發(fā)展。

目前，世界上主要由鐵基、鈷基兩種催化劑工藝生產(chǎn)煤基合成油。鐵基催化劑密度大、催化效率較低，反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳選擇性較高，大量的二氧化碳循環(huán)會(huì)導(dǎo)致巨大能耗。而傳統(tǒng)費(fèi)托合成鈷基催化劑價(jià)格昂貴，液體產(chǎn)品選擇性較差，制約了其工業(yè)應(yīng)用。如何才能研制出具有優(yōu)異性能的鈷基催化劑?

在夜以繼日的努力下，研究團(tuán)隊(duì)研制出了炭載鈷基催化劑。它具有較高的活性、較低的甲烷選擇性、極低的二氧化碳選擇性、良好的穩(wěn)定性，運(yùn)行不產(chǎn)生廢催化劑，與傳統(tǒng)的鐵基催化劑相比，可以降低運(yùn)行能耗、省去脫碳單元，實(shí)現(xiàn)低固廢甚至無(wú)固廢的綠色環(huán)保目標(biāo)。

在實(shí)驗(yàn)室階段，研究人員對(duì)催化劑體系、穩(wěn)定性以及長(zhǎng)時(shí)期運(yùn)轉(zhuǎn)等進(jìn)行了研究。“我覺(jué)得我們的研究正在步入正軌。”朱何俊說(shuō)。

“幾個(gè)晚上都沒(méi)睡著覺(jué)”

然而，研究團(tuán)隊(duì)不僅僅滿(mǎn)足于基礎(chǔ)研究。“我們更想把它用在工業(yè)生產(chǎn)方面，這樣才能使這項(xiàng)技術(shù)發(fā)揮更大的作用。”朱何俊說(shuō)。

從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)車(chē)間，要想將該項(xiàng)技術(shù)投入生產(chǎn)中，就免不了要進(jìn)行放大研究。要將催化劑從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模放大至1000倍才能真正投入到工業(yè)示范研究中，還要保障催化劑的活性和穩(wěn)定性，這給研究團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了不小的難題。

首先是炭載體的處理。工程上要采用放大轉(zhuǎn)爐裝置才能高效處理碳載體，然而作為一項(xiàng)原創(chuàng)性技術(shù)，國(guó)內(nèi)并沒(méi)有成熟的工程可供參考，國(guó)際上也沒(méi)有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供團(tuán)隊(duì)借鑒。于是，團(tuán)隊(duì)自己研發(fā)了一套轉(zhuǎn)爐裝置，在高溫氫氣微正壓下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行。

此外，整個(gè)工藝都是在高溫的環(huán)境下進(jìn)行的，生產(chǎn)過(guò)程中的氫氣是一種易燃易爆的氣體，危險(xiǎn)性較高，生產(chǎn)條件十分苛刻。

“而且干燥催化劑很容易自燃，尤其是在長(zhǎng)途運(yùn)輸過(guò)程中。催化劑的成分是碳粉和硝酸鹽，這是“炸藥”的主要成分之一。”丁云杰說(shuō)，“我好幾天都沒(méi)睡著覺(jué)，擔(dān)心會(huì)不會(huì)發(fā)生什么危險(xiǎn)。最后只好采用半干基催化劑方式運(yùn)輸。”

保障安全“刻不容緩”，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始積極尋找破解之法。他們通過(guò)在制備方法上進(jìn)行工藝改造，使得整體制備條件更適合實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用。運(yùn)輸過(guò)程中催化劑暴露在干燥環(huán)境下，爆炸概率會(huì)提高，于是團(tuán)隊(duì)想到了使用半干半潮催化劑的運(yùn)輸機(jī)制，這大大降低了危險(xiǎn)概率。

“我們邁出了工業(yè)化的第一步。”朱何俊說(shuō)。

2015年，實(shí)驗(yàn)流程打通，鈷基費(fèi)托合成煤制油技術(shù)投入到實(shí)際的流態(tài)化生產(chǎn)中，但是在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)備卻怎么也達(dá)不到生產(chǎn)要求，出現(xiàn)了“水土不服”的現(xiàn)象。

“我們最初找不到問(wèn)題根源，那個(gè)時(shí)候很頭疼。”朱何俊告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

團(tuán)隊(duì)決定暫停生產(chǎn)，研究人員進(jìn)入催化劑焙燒和還原活化反應(yīng)器里面，在高溫下實(shí)地探查問(wèn)題來(lái)源。通過(guò)對(duì)運(yùn)行過(guò)后的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析，研究團(tuán)隊(duì)終于查找到問(wèn)題，并提出解決方案。經(jīng)過(guò)6個(gè)月的設(shè)備改造，催化劑生產(chǎn)開(kāi)始走向正常化流程。

隨后在2016年到2020年的4年里，研究團(tuán)隊(duì)又進(jìn)行了多次內(nèi)部過(guò)濾器改造。

“我們總共在6個(gè)單元做了22項(xiàng)改造。”煤制油裝置的合作單位——陜西延長(zhǎng)石油榆林煤化有限公司工程部經(jīng)理張馬寧介紹。

幾年內(nèi)，該設(shè)備由2016年的40%負(fù)荷生產(chǎn)，到2018年達(dá)到80%，最終在2020年實(shí)現(xiàn)100%負(fù)荷運(yùn)營(yíng)，完成了工業(yè)化的指標(biāo)。

裝置的滿(mǎn)負(fù)荷成功運(yùn)行，為我國(guó)煤炭高效轉(zhuǎn)化制清潔燃料和高值化學(xué)品提供了原創(chuàng)技術(shù)和解決方案，標(biāo)志著我國(guó)在煤炭資源綜合潔凈利用領(lǐng)域上了一個(gè)新臺(tái)階。

向提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)發(fā)

“經(jīng)過(guò)了總共20多年的研究，以及8年工業(yè)示范現(xiàn)場(chǎng)的磨練，努力終于有了收獲。”相關(guān)技術(shù)成功通過(guò)科技成果鑒定后，朱何俊說(shuō)。

這是由中科院大連化學(xué)物理研究所、陜西延長(zhǎng)石油榆林煤化有限公司、北京石油化工工程有限公司共同開(kāi)發(fā)建設(shè)的新一代煤制油裝置，是全球首套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的炭載鈷基漿態(tài)床合成氣制油工業(yè)示范裝置，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)達(dá)產(chǎn)達(dá)效。其成功運(yùn)行將為后續(xù)大型商業(yè)化裝置的建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

“我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)合作起來(lái)是順利的，丁老師和朱老師都很認(rèn)真負(fù)責(zé)，經(jīng)常在現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)日沒(méi)夜地工作，遇到問(wèn)題當(dāng)場(chǎng)就會(huì)給出意見(jiàn)，通過(guò)鑒定也是我們團(tuán)隊(duì)合作的勝利。”張馬寧對(duì)于設(shè)備的成功運(yùn)行十分開(kāi)心，“并且鈷基催化劑費(fèi)托合成中是不產(chǎn)生二氧化碳的，這可以大大降低能耗，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)目標(biāo)”。

“不過(guò)會(huì)上專(zhuān)家也給了我們一些啟發(fā)。”朱何俊告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“比如專(zhuān)家提到有的公司進(jìn)口的高熔點(diǎn)蠟，市場(chǎng)價(jià)每噸高達(dá)3.6萬(wàn)元左右，目前該裝置生產(chǎn)的高熔點(diǎn)蠟的組成、性能指標(biāo)與進(jìn)口蠟相差無(wú)幾，每噸售價(jià)也只有6000到7000元，產(chǎn)品附加值不足。這啟發(fā)我們要進(jìn)一步注重提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。”

丁云杰也表示：“現(xiàn)在的裝置規(guī)模效應(yīng)較小，會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益不佳的問(wèn)題。”

在后續(xù)的研究中，團(tuán)隊(duì)會(huì)盡量降低物耗能耗，加快費(fèi)托合成產(chǎn)品的高附加值綜合利用技術(shù)研究，盡快推進(jìn)大型商業(yè)化項(xiàng)目的實(shí)施。