世界首套甲醇制烯烴工業化裝置
在內蒙古鄂爾多斯這片廣袤無垠的土地孕育出了無數寶藏。在這里除了唱醉了星辰、奏響了樂章的百靈鳥和馬頭琴，還有埋藏地下的“寶貝”——煤炭。寶豐能源公司在鄂爾多斯建造的烯烴項目正是看中這個“寶貝”，才選擇在這里“安營扎寨”，開展到目前為止全球單廠規模最大的煤制烯烴項目建設。該項目核心裝置采用中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）聯合開發的甲醇制烯烴專利工藝技術——DMTO。該技術目前已發展到第三代。近些年，在中國科學院“雙碳”戰略行動計劃和“潔凈能源關鍵技術與示范”戰略性先導科技專項的支持下，DMTO-III應運而生。該技術的出現使得單套工業裝置甲醇處理量大幅增加，甲醇單耗明顯下降。而大連化物所研發第一代技術時還是上世紀80年代，彼時他們為何要孜孜不倦地發展“煤代油”的前沿研究——甲醇制烯烴呢？
上世紀80年代，劉中民曾思考過一個問題：我們為什么要研究甲醇制烯烴？此時的他還不是低碳催化與工程研究團隊的負責人，而是一名新入學的研究生。他了解到，上世紀70年代世界爆發了兩次石油危機，石油價格大幅攀升，促使許多發達國家開始考慮以煤炭取代石油，并相繼啟動了以煤代油的科技攻關計劃。80年代后，走上改革開放之路的中國科學家開始攻堅科技難題，大連化物所的研究人員就是在此時選擇了煤制烯烴方向。烯烴聽起來陌生，但它在我們生活中無處不在。飛機、汽車、冰箱、電視、鞋子、衣服等一切有塑料的地方，大都有烯烴的存在。而在傳統技術中，烯烴的生產高度依賴石油資源。石油危機讓享受油氣時代的公眾產生了難以言喻的恐慌——如果石油資源沒有了或者價格一路飆升，未來烯烴的原料如何解決？科學家想到一個辦法：首先用煤炭或天然氣制成合成氣，再將合成氣制成甲醇，最后用甲醇制成烯烴。而這個技術鏈條中缺少重要一環——甲醇制烯烴在國際上并沒有實現工業化生產。劉中民就是在這一時期加入了研究組。作為剛入門的學生，雖然他對于研究背景和國家需求有所認知，但對具體研究了解得并不透徹。一進入大連化物所，他就跟隨老師逐步邁入了甲醇制烯烴研究領域。在陳國權和梁娟帶領的研究小組的努力下，他們從實驗室起步，經過夜以繼日的努力，在國內率先合成了ZSM-5型沸石分子篩，向實現甲醇制烯烴的戰略目標邁出了第一步。隨后的幾年，研究駛入快車道，形成了聯合研究團隊，研制出甲醇制烯烴的固定床催化劑，完成實驗室小試后建成了放大設備，并在此基礎上于1993年完成了固定床中試試驗。在進行固定床中試的同時，大連化物所又提出了更新的技術路線，合成氣先轉化為二甲醚再制烯烴，擬采用更新的催化材料和流化床技術，大幅度提高烯烴產率。新技術路線于1991年被列為國家“八五”重點科技攻關項目。劉中民博士畢業后正好趕上項目啟動，負責二甲醚制烯烴催化劑研制。1995年中試試驗完成，劉中民也成為團隊的負責人。中試結果很好，項目被中國科學院授予科技進步獎特等獎。可惜好景不長，周遭環境的變化令所有人措手不及。“當時國際上每桶原油價格在10美元左右。假如企業采用甲醇制烯烴生產工藝，那與石油制烯烴相比成本就太高了，根本掙不到錢。因此，國家和企業對煤炭替代石油生產烯烴項目的積極性并不高。”劉中民回憶說。資金的短缺讓團隊的發展陷入了僵局，而申請的項目又在此時被否掉了。國外公司在了解情況后，希望與團隊合作，申請國家項目。但在當時的情況下，這樣的國際合作項目沒有人能批準。國際合作的路不通，國內呢？“那時我四處尋找實驗經費，盼望與企業聯合開發，只求合作，不求回報。”劉中民說，但沒有一家企業看好這顆冉冉升起的“新星”。在這樣的背景下，甲醇制烯烴還有必要繼續做下去嗎？劉中民在思考。這是他接觸甲醇制烯烴的第13年，團隊等著他找到項目資金維持“生計”，但我國資源稟賦的特點并沒有改變，前輩們傳遞的“接力棒”正握在他手中……
好在天無絕人之路，1998年，新的轉機出現了。
當年，中國科學院主要領導8月到大連化物所視察，借助這個時機，劉中民將準備好的報告遞交了上去。不久后，劉中民團隊就收到了中國科學院特批的100萬元科研經費。“100萬元啊，雪中送炭，總算能做下去了。”劉中民笑著說。他們用這筆錢充實了甲醇制烯烴的基礎研究、完善了技術環節，使得技術基礎更加牢固，同時繼續尋找進一步放大試驗的機會——這是技術進入工業化的必要環節。2004年，國際油價有所回升，甲醇制烯烴的發展迎來新的機遇——大連化物所和陜西省達成了合作意向。“建設并運行一套甲醇制烯烴的工業化試驗裝置，少則五六千萬元，多則上億元，是一筆很大的投入。”劉中民告訴《中國科學報》，“而陜西省礦產資源比較豐富，在得知我們已經開發出具有世界領先水平的甲醇制烯烴技術后，與我們一拍即合，一起開展工業化試驗。”2004年8月2日，總投資8610萬元、年處理甲醇能力1.67萬噸的大連化物所甲醇制烯烴技術工業化試驗裝置，在陜西省華縣開工建設。簡稱為什么是DMTO呢？“MTO是國際上對甲醇制烯烴的統一叫法，而D除了代表我們早期的研究——二甲醚制烯烴，還象征著大連。”劉中民自豪地說。700多個日日夜夜，團隊十幾人長期堅守在試驗現場。科研人員每天要在幾十米高的裝置上爬幾個來回，從嚴寒到酷暑始終如一。裝置上面的風很大，最冷的時候寒風陣陣不禁讓人顫顫巍巍。劉中民幾乎每天晚上都睡不踏實。遠處的火炬成為了他的精神寄托——只要火還在燃燒，就說明進展順利。終于，2006年8月，在合作各方的共同努力下，DMTO工業化試驗宣告成功。隨后，團隊又和神華集團合作，簽訂了60萬噸/年甲醇制低碳烯烴技術許可合同。這是世界首套煤制烯烴技術許可合同，標志著DMTO技術從前期的萬噸級工業性試驗向百萬噸級工業化生產邁出了關鍵一步。“這次投資150多億元，是之前從未設想過的天文數字。”劉中民帶領團隊轉戰包頭，投入到世界首套DMTO工業示范裝置項目中。當包頭裝置投料試車一次成功時，團隊的研究人員激動得流下眼淚，劉中民長期懸著的心也終于落了下來。隨著神華包頭項目正式進入商業化運營，我國率先實現了甲醇制烯烴的核心技術及工業應用“零”的突破。在此基礎上，團隊又將甲醇制烯烴產物中重于碳四的組分回煉，開發了多產烯烴的DMTO第二代技術。2018年，中國科學院批準依托大連化物所組織實施“潔凈能源關鍵技術與示范”戰略性先導科技專項。專項集合了20余家能源領域研究所及大學優勢研究力量，DMTO技術就是專項項目之一。2021年7月，中國科學院啟動“雙碳”戰略行動計劃，DMTO技術被寄予厚望。在先導專項和“雙碳”戰略行動計劃的支持下，DMTO第三代技術發展進入快車道。與前兩代技術相比，第三代技術采用了新一代催化劑，通過對反應器和工藝過程的創新可實現單套工業裝置甲醇處理量加倍，達到360萬噸/年，對促進煤炭清潔高效利用、緩解石油供應緊張局面、保障我國能源安全具有重大意義。歷經30余年的努力，今天的劉中民已兩鬢斑白。從四處找人投資的“毛頭小子”變成新興戰略產業的技術帶頭人，此中每個細節他都記憶猶新。看著研究從實驗室內的一小瓶催化劑，逐級放大走到中試基地，再進入工廠，劉中民頗有感觸。最開始的研究團隊，人數不及現在的20%，劉中民坦言前期“窮得只剩下精神”，整個團隊之所以能堅守下來，是因為對國家戰略需求的執著和對大連化物所文化的傳承。漫長而艱辛的研發歷程，融入了大連化物所三代人對科研的追求。“轉化一代，開發一代，前瞻一代。”這是大連化物所對DMTO研究的具體部署，也是刻在整個煤制烯烴團隊心里的烙印。“煤制烯烴就像一根‘接力棒’，前輩在接力賽的時候把棒傳給了我，并寄予了很大希望，我是中間的傳承者，只能帶領大家繼續前行。”劉中民比喻說。目前，DMTO技術已經發展到第三代，成果轉化也成功走進了內蒙古鄂爾多斯和寧夏寧東基地。煤制烯烴項目建成投產后，將推動鄂爾多斯和相關地區煤炭資源由“燃料型”向“原料型”轉變、產品由“一般加工”向“高端制造”轉變，實現區域產業結構優化。DMTO系列技術已經簽訂了31套裝置的技術實施許可合同，烯烴產能達2025萬噸/年，約占全國當前產能的1/3，預計拉動投資超4000億元。他們開辟了以非石油資源生產低碳烯烴的新路線，開創并引領了我國煤制烯烴新興戰略產業。而DMTO的發展不止于此。未來，隨著經濟社會的發展，國家對烯烴的需求預計還會進一步增長。在成果轉化方面，團隊考慮支持在西部煤炭資源豐富地區，或其他如國家“北煤南運”鐵路沿線合適的地方建設煤制烯烴工廠，保障國家烯烴供應的地區平衡，也將該項技術出口至“一帶一路”沿線重點國家，打造國家能源化工名片。此外，團隊還將不斷提高催化劑的效率，開發更新的甲醇制烯烴技術，繼續保持我國甲醇制烯烴關鍵技術和工業化的國際領先地位。“服務國家戰略需求的‘接力棒’不可能一直在我手上，還需要下一代人繼續傳承下去。”劉中民說。
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