作為一種新型的汽油添加劑和良好的潔凈燃料，低碳醇的高效、清潔合成一直是化工科學(xué)家追尋的目標(biāo)。然而，傳統(tǒng)合成方法中，高溫、高壓的苛刻合成反應(yīng)條件或使用貴金屬催化劑的高成本工藝導(dǎo)致其規(guī)?；a(chǎn)面臨相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

最近，在中科院“低階煤清潔高效梯級(jí)利用關(guān)鍵技術(shù)與示范”先導(dǎo)專項(xiàng)和科技部“863”課題的支持下，中科院山西煤炭化學(xué)研究所與中國神華煤制油化工有限公司合作完成了千噸級(jí)煤基合成氣制低碳醇工業(yè)側(cè)線試驗(yàn)。

在科學(xué)家們看來，這一進(jìn)展開辟了低碳醇多聯(lián)產(chǎn)工藝合成的全新途徑，也成為產(chǎn)研成功合作的典范。

以“高產(chǎn)”和“溫和”取勝

10月22日，位于神華集團(tuán)包頭煤化工公司的一套工業(yè)側(cè)線裝置已連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)1000多個(gè)小時(shí)。事實(shí)上，大約在一個(gè)月前，身在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的中科院山西煤化所研究員房克功從現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)中得知，試驗(yàn)結(jié)果有望優(yōu)于預(yù)期。好消息通過“團(tuán)隊(duì)日?qǐng)?bào)”發(fā)到了在外地出差的神華包頭煤化工公司總工程師姜興劍那里。姜興劍告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，整個(gè)團(tuán)隊(duì)都為此感到很興奮。

抱著嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)仍然按計(jì)劃讓裝置繼續(xù)運(yùn)行1000小時(shí)以上，圓滿完成了工藝過程高負(fù)荷穩(wěn)定性運(yùn)轉(zhuǎn)考核驗(yàn)證。

煤基合成氣是以煤為原料制取的氣體，主要成分是氫氣和一氧化碳。低碳醇則由氫氣和一氧化碳在特定條件下合成，催化劑表面原料氣的轉(zhuǎn)化率和選擇性決定了目標(biāo)產(chǎn)物低碳醇的產(chǎn)率。

房克功告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，傳統(tǒng)合成方法的反應(yīng)溫度及壓力一般在280攝氏度和8兆帕以上，反應(yīng)條件苛刻并且催化劑價(jià)格較高，高成本、低產(chǎn)量的工藝技術(shù)使其過程經(jīng)濟(jì)性不高，一直制約著低碳醇合成的規(guī)?；I(yè)應(yīng)用。

而此次試驗(yàn)結(jié)果顯示，這套工藝在相對(duì)溫和的反應(yīng)條件下，使一氧化碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到85%以上，日產(chǎn)15噸低碳醇，并進(jìn)一步分離得到多種產(chǎn)品。“反應(yīng)溫度為230到260攝氏度，壓力為6.0兆帕，工藝條件趨于溫和化，低碳醇產(chǎn)量更高。”房克功說。

科學(xué)家與工程師的兩大“利器”

此次低碳醇合成的新技術(shù)使用了山西煤化所和神華集團(tuán)的兩大“利器”：一是催化劑，二是分離技術(shù)。

新技術(shù)使用的催化劑為山西煤化所自主研發(fā)的銅基催化劑，價(jià)格廉價(jià)，具有活性好、機(jī)械強(qiáng)度高、無環(huán)境污染、制造成本低、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，其成本和工藝接近合成甲醇催化劑。

該試驗(yàn)于2014年打通工藝流程后，對(duì)關(guān)鍵工藝過程進(jìn)行了優(yōu)化。“特別是在試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)初期，氫氣與一氧化碳在催化劑表面的劇烈反應(yīng)會(huì)放出大量熱量，我們發(fā)現(xiàn)在這一階段催化劑床層容易出現(xiàn)難以移除的‘熱點(diǎn)’，帶來了巨大的安全隱患。”房克功說。

全程參與該試驗(yàn)的姜興劍告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，在問題面前，科學(xué)家們勇敢面對(duì)，沒有絲毫猶豫地投入了解決問題的工作中。“我們對(duì)科學(xué)家們百折不撓、上下求索的科學(xué)精神非常佩服。”

科研人員終于找到解決方案，即通過改變催化劑填裝方式，優(yōu)化開車運(yùn)行方案，平穩(wěn)避開了反應(yīng)初期的風(fēng)險(xiǎn)。

在分離步驟中，則采用神華集團(tuán)主導(dǎo)開發(fā)的“9塔1器”的流程，即九個(gè)精餾塔外加一個(gè)膜分離組，實(shí)施以精餾——萃取——膜分離相結(jié)合方法，成功獲得高純度的甲醇、乙醇、丙醇及丁醇等化工產(chǎn)品。

開放的“產(chǎn)研”合作姿態(tài)

近年來，山西煤化所圍繞煤炭清潔高效利用開展了扎實(shí)的基礎(chǔ)研究，也在院地合作上收獲頗豐。煤制乙醇、低碳醇技術(shù)的研發(fā)便是典型案例。

房克功回憶，起初，合成氣制低碳醇技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室取得成功后，研究人員認(rèn)為，科技創(chuàng)新只有用在實(shí)際生產(chǎn)中，才能發(fā)揮更大價(jià)值。因此，他們開始主動(dòng)走出去，尋求合作企業(yè)，最終與河南煤業(yè)集團(tuán)和山西潞安礦業(yè)集團(tuán)結(jié)緣。在取得初步成果后，荷蘭皇家殼牌石油公司拋出了橄欖枝。

2011年前后，中國神華煤制油化工有限公司主動(dòng)找上門洽談該技術(shù)后續(xù)全方位的合作開發(fā)事宜，得到了前期合作伙伴的一致贊同。

對(duì)此，山西煤化所創(chuàng)造性地提出了一套多邊合作機(jī)制，解決了產(chǎn)權(quán)分配等問題。“所里負(fù)責(zé)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的部門給予了極大的支持，讓我們始終有開放的姿態(tài)。”房克功表示。

幾年來，姜興劍深刻地感受到新技術(shù)為企業(yè)帶來的好處。“科學(xué)家們?cè)谇把丶夹g(shù)的開發(fā)上具有企業(yè)不可比擬的實(shí)力，這些技術(shù)能夠讓企業(yè)獲得更大的效益。”

未來，雙方期待開展更大規(guī)模的低碳醇合成工業(yè)試驗(yàn)，讓實(shí)驗(yàn)室技術(shù)早日走上生產(chǎn)線。