《科学画报》
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煤代石油，点煤成“金”
2021-10-22 10:35:00“富煤、贫油、少气”是我国能源发展面临的现状，随着经济的快速发展，石油的供给压力还将继续加大。因此，发展煤代油战略具有十分重要的意义，可以发挥我国能源结构的优势，减少对石油资源的高度依赖。
经过多年的开拓创新，我国已经开发建设了煤制油、煤制二甲醚、煤制乙二醇和煤制天然气等现代煤化工产品、技术和装备，并且初具规模。其中，高效甲醇制烯烃工艺是最重要的煤化工技术之一，它以煤或天然气合成的甲醇为原料，生产乙烯、丙烯等低碳烯烃，是煤代油战略的核心技术。
2018年1月，中国石化上海石油化工研究院牵头完成的“高效甲醇制烯烃全流程技术”项目荣获2017年度国家科学技术进步奖一等奖。该项目开发了用煤替代石油进行烯烃高效生产的全流程技术，使我国成为世界上第一个掌握甲醇制烯烃全流程技术自主知识产权的国家，具有里程碑的意义。
向煤要烯烃
乙烯和丙烯是化学工业的基石，其生产能力通常代表了一个国家的化学工业水平。经由乙烯、丙烯加工制得的产品被广泛应用于农业、汽车、国防、建筑、医疗和日用品等领域，与人们的生活密切相关。
那么，乙烯、丙烯是从哪儿来的呢?目前，它们主要是通过石脑油催化裂解得到的，也就是说，生产它们的主要原料是石油。
然而，偏偏我国的能源结构特点是“富煤少油”。根据国际能源署的数据，我国人均石油资源量仅为全球平均水平的18%，原油对外依存度已超过70%;相比而言，我国的煤炭资源十分丰富，储量居全球第三位。
既然如此，能否用煤炭代替石油来生产乙烯和丙烯呢?
答案是肯定的。这就是人们常说的“煤制烯烃”，也是煤代油战略的重要技术路线，而甲醇制烯烃(Methanol-to-Olefine，以下简称MTO)是其中关键性的一环。
解决催化剂、反应器、分离工艺的“三高”挑战
MTO简单来说就是使甲醇在催化剂的作用下，经过多个转化步骤生成烃类混合物，将这些烃类混合物分离、提纯之后，就得到了目标产物乙烯和丙烯。MTO技术发展的重大技术挑战有“三高”：一是催化剂的选择性要高，要让最后得到的产物中尽可能含有更多的乙烯和丙烯，含有更少的副产物;二是流化床反应工程与工艺的时空收率要高，要在单位时间、单位空间内生产尽可能多的低碳烯烃;三是烯烃分离工艺的回收率要高，要把好不容易制备得到的乙烯和丙烯尽可能彻底地分离出来。
总体来看，这里面需要解决的问题主要有催化剂的问题、反应器的问题、分离工艺的问题。其中，通过催化剂的研究来实现高选择性是MTO技术研究开发的重点。
该项目团队率先创制了纳米片晶多级孔SAPO-34分子筛。这种分子筛具有独特的片状多级孔结构，能有效地促进扩散，是一种高性能的MTO催化剂。利用这种新型催化剂，乙烯和丙烯的碳基选择性提高到了81%以上。这个数字意味着：在最终的烃类产物中，乙烯和丙烯占到了81%以上，其他烃类只占不到19%。
MTO的工艺流程采用的都是流化床反应器。项目团队根据流化床反应器的工艺特点，结合反应动力学特征和催化剂的性能，首次开发出MTO快速流化床反应-再生技术，反应器的直径减小了1/3，反应的时空收率提高了2倍，使反应效率大幅度提升;创新开发了顺流两段再生技术，实现了催化剂积碳的精准控制，积碳量变化幅度可控制在±0.2%以内。
在分离工艺方面，项目团队首创了高效MTO烯烃分离全新工艺，设计开发了前脱乙烷、C4烃回收乙烯、含氧化合物脱除等多项关键技术和分离工艺，使乙烯、丙烯产品回收率均达99.98%以上。
完成科学研究、实验开发、推广应用的三级跳
目前，该项目已获授权中国发明专利260件、授权国际发明专利23件，发表SCI论文21篇;获中国石化科技进步奖特等奖、上海市技术发明奖一等奖、国家科技进步奖一等奖。项目首次提出并证实了“烯烃活性中心”的MTO烃池反应新概念，率先发明了片状多级孔催化材料，创新开发了反应-再生系统催化剂细粉高效脱除技术，首次实现了MTO工艺与石脑油蒸汽裂解工艺的集成，这些成果在产业界和学术界都产生了重大影响。
2010年8月，中原石化60万吨/年工业装置采用高效甲醇制烯烃全流程成套技术开工建设。2011年10月，装置投料开车一次成功，并于7小时后取得了合格的乙烯、丙烯产品，标定结果显示，总体技术指标达到国际领先水平。目前，该装置已连续运行9年以上，运行稳定、经济效益显著。2016年10月，中天合创360万吨/年高效甲醇制烯烃全流程技术装置在内蒙古建成投产，这是全球最大的MTO装置。
目前，高效甲醇制烯烃全流程技术已在中原石化、中天合创、中安联合煤化等国内多家公司进行应用，并获得国内外多家公司的认可。实践表明：我国自主开发、设计、制造、建设、运行的高效甲醇制烯烃全流程技术大型工业装置达到了国际领先水平，实现了“世界领跑”。
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