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彩立方新一代煤制乙二醇再登巅峰
发表时间 2018-03-26 11:18 来源 彩立方

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  ——记中科院福建物构所姚元根和他的研发团队

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  文/韩智

  石油、煤炭;乙二醇、煤制乙二醇技术、新一代煤制乙二醇技术,煤制乙二醇在聚酯行业的应用,这是多年来煤化工技术界和企业界共同关注的问题。随着中科院福建物构所姚元根研究员带领的中科院煤制乙二醇及相关技术重点实验室和中科院福建物质结构研究所煤制乙二醇技术研发团队推出煤制乙二醇工业化技术后,人们的认知已经发生了变化。

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  技术领跑世界

  乙二醇是重要的、战略性的大宗化工基本原材料,市场容量仅次于乙烯和丙稀。乙二醇主要用于制造聚酯(可进一步生产涤纶、饮料瓶、薄膜)、炸药、乙二醛,并可作为防冻剂、增塑剂、水利流体和溶剂等。

  近三十年来,我国大宗化工产品需求量与日俱增。然而,我国由石油路线生产的乙二醇产能不足,大量依赖进口(进口依存度在三分之二以上),严重制约了我国以乙二醇为原料的基础化工的发展,在聚酯领域更为明显。

  目前全世界用石油生产的2000多万吨乙二醇,若都不以石油为原料生产,那么,每年可节省5000万吨石油,相当于一个大型油田的原油产量。人们都希望开发出一种不依赖石油资源、经济效益高的新的乙二醇生产技术路线。煤制乙二醇技术的思路早在上世纪八十年代就提出来了,不仅符合我国的资源特点(缺油、少气、煤炭资源相对丰富),而且生产成本低,所以一直受到中国煤化工产业界高度重视。

  自1965年美国人Fenton首次提出醇类氧化羰化法制备草酸酯后,各国都在研发以合成气为原料制备草酸酯再加氢成乙二醇的工艺,也就是“煤制乙二醇”技术。1978年日本宇部兴产公司首先建成了一套年产6000吨草酸二丁酯的高压液相试验装置,其后又与美国UCC合作开发了常压气相合成草酸酯工艺,完成了模试和中试,但均没有实现工业化生产。在2008年前,国内也有多家研究机构开展了合成气制备草酸酯和乙二醇的研究,但都处于实验室技术和中试阶段,工业化试验一直没有成功。

  中科院福建物构所自上世纪八十年代就开发了先进的煤制乙二醇成套技术及其催化剂技术,经多年努力,在2008年,中科院煤制乙二醇技术团队终于攻克了以煤炭代替石油(乙烯)生产乙二醇的关键技术,与企业合作成功开发了煤制乙二醇成套技术(第一代技术),并通过了由中科院组织的成果鉴定。

  2009年在人民大会堂隆重举行了“世界首创万吨级煤制乙二醇工业化示范”新闻发布会,在国际上率先实现了煤制乙二醇技术的工业化,引领了世界煤制乙二醇技术的发展方向。此项成果分别获得了中科院杰出科技成就奖和科技成果转移转化团队突出贡献奖,被评为2009年度中国十大科技进展之一。

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  2008年以后,为解决第一代技术在工业化应用过程中存在的一些技术问题, 中科院福建物构所煤制乙二醇技术攻关组在国家多项重大研究计划的支持下,研发成功具有独立知识产权的“新一代煤制乙二醇技术”。相比于第一代技术,新一代煤制乙二醇技术进一步优化了工艺流程,加强了环保和安全控制,降低了催化剂贵金属负载量,催化剂性能显著提升,经济效益大幅提高。相关科研成果已申请国家发明专利64件,授权15件,形成了新一代煤制乙二醇技术的系统专利池,使这项技术继续领跑世界。

  科研成果的终极意义在于应用。多年来,为了使新一代煤制乙二醇技术实施工业化,姚元根团队采取多种方式与企业开展合作交流与商谈。国家需求和国际新技术市场的竞争,让他们加快了技术成果工业化的步伐。姚元根自信地说:“如果我们研制的新一代煤制乙二醇工业化生产技术能迅速得到推广,将对我国能源安全和聚酯产业的发展产生重要的积极影响。”

  姚元根告诉记者,实验室瞄准的是国家重大需求和世界煤化工技术发展前沿,研发的新一代煤制乙二醇及相关共性技术,持续引领国际煤制乙二醇技术的发展方向。我们还注重发展煤制乙二醇的技术延伸和产品延伸新技术,高效利用我国丰富的煤炭资源生产高附加值大宗化学品和精细化学品。2017年,实验室成功申请到国家重点研发计划项目“环保涂料用酯类单体与绿色溶剂高效制备技术”和“高附加值精细化工产品的多相纳米催化材料与工程化”项目,进一步开发煤制乙二醇技术相关的产业化新技术。姚元根透露,目前正在筹划省级工程技术研究中心,未来的目标是把实验室发展成国家级的工程技术研究中心。“在接下来的两三年时间内,我们将全力推进新一代煤制乙二醇技术的60万吨工业示范,并在2020年实现投产。”

  实验室集体的共同努力

  新一代煤制乙二醇的研发既有战略意义更有工业应用的巨大价值,长期得到了国家各类项目的大力支持。与第一代煤制乙二醇技术相比,新一代煤制乙二醇技术在诸多方面得到了显著提升。

  2008年实现工业化的第一代煤制乙二醇技术贵金属用量较大,选择性和稳定性还需进一步提高,同时乙二醇优级品率低,能耗相对较大。在新一代煤制乙二醇技术方面,他们开发了全新的三种核心催化剂,优化了工艺流程和产品提纯方案,大幅度提高了各项技术和经济指标。

  生于1962年的姚元根是一位踏实的科学家,他从1982年毕业于厦门大学到1989年到中国科学院福建物质结构研究所做博士后的这段时间,确定了他的科研方向。作为访问学者,他先后到英国Newcastle大学化学、日本冈山理科大学学习和工作。1993回国,到福建物质结构研究所,被聘为副研究员,1998年被聘为研究员,1999年被聘为博士生导师。曾任福建物质结构研究所副所长,《结构化学》常务副主编。主要研究方向: 煤制乙二醇技术及其新型催化剂;重要生物过程中的结构化学问题(金属簇物对氮等小分子的成键和活化机理)。已发表研究论文200多篇,申请中国发明专利64项。他的经历和成就,使他在团队中具有极高的威信,团队成员评价他说,不论遇到什么样的困难,姚主任总有一股子百折不挠执着的拼劲。

  目前,中科院煤制乙二醇及相关技术重点实验室已基本具备新型催化剂的物相分析、结构分析、表面性能、催化剂性能评价等领域的测试分析,共有重要仪器和设备100多台(套)。这个重点实验室是一支年轻的队伍,在55名成员中,有39人在40岁以下。姚元根说:“我们以‘创业引人、事业留人’为宗旨,以‘和谐发展、和谐竞争、激励创新、跨越发展’为实验室精神,支持科研人员开展工作。”

  姚元根介绍说,无论是依托单位福建物构所还是院重点实验室,都千方百计地给青年科研人员提供舞台和机会。他举例说:“贵州的中试现场有120人,其中20多人来自物构所,这里与实验室的工作完全不一样,通过‘工地现场经历’,我们培养了一批能解决实际问题的技术和管理骨干。”

  通过实验室的集体努力, 2015年实验室被人社部和中科院评为中国科学院先进集体。2017年,在中科院材料和工程领域34个院重点实验室评估中,该实验室被评为A类。

  技术工业化矢志不渝

  院企合作,是近年来的老生常谈,也是必然趋势。

  利益最大化永远是企业的不二追求,你拿什么与企业合作?

  姚元根的经验是:给企业最需要的,让你的成果成为企业取得利益最大化的竞争力支撑,这是合作的基点。

  姚元根研发的新一代煤制乙二醇生产技术在性价比上的优势,让众多煤化工企业家看到了巨大的市场潜力和丰厚的投资回报。

  2016年,福建物构所与贵州鑫醇能源有限公司共同出资成立了贵州鑫醇科技发展有限公司,首先开展千吨级新一代煤制乙二醇技术的工业化试验装置的建设,主营煤制乙二醇等新型煤化工技术开发、催化剂生产与销售、技术许可与转让、工艺包装设计与相关技术培训服务。

  回顾技术转化,姚元根感慨道:“我们发挥了‘不等不靠不要’的精神,主动与企业进行合作对接,采取了科研、工艺技术和资本互相结合的模式,才取得了这样的成绩。”在此期间,实验室联合中石化洛阳(广州)工程有限公司做了很多新工艺技术的开发和设计,显著降低了能耗,经济效益大幅度提升,每吨乙二醇的生产成本由5000元降低到4000元。

  在技术推广的路上,哪里产煤,哪里就能看到姚元根推广新一代煤乙二醇技术的身影。在网上,只要在网上搜索“乙二醇”或“姚元根”,就会出现一长串的相关条目。

  2009年12月9日,内蒙古通辽金煤化工有限公司20万吨煤制乙二醇工业示范装置实现了全流程运行。2010年6月21日,通辽金煤年产 10万吨煤制草酸项目实现联动试车,草酸生产线各工序流程全部打通,并顺利试产出合格的草酸产品。自2011年10月底开始进行停车消缺,前期开车后一直保持稳定运行,生产负荷已逐步稳定至设计能力的75%以上。2011年11月18日成功达产。2013年,通辽金煤共生产乙二醇8.95万吨、草酸3.93万吨,全年平均生产负荷为54.59%(其中下半年为72.98%),乙二醇业务销售量8.8万吨,营业收入5.07亿元。

  姚元根在回忆最近3年在贵州的中试工作时说:“3年来,每年我几乎有10个月在贵州,感觉像是在这里‘插队’,但我们团队的每一位成员心怀同一个梦想,就是把新一代煤制乙二醇技术推向工业化。虽然辛苦,但非常值得。”

  姚元根团队的新一代煤制乙二醇技术之所以推广神速,在技术可靠之外,与合作企业在生产过程中的技术支持是分不开的。他说:“把一项技术推向工业化需要很多人才,除了我们这个研发队伍,还需要管理、技术、工艺、设计等方面的人才。如果想把厂子运行起来,还要好多懂设备的人才,只有团队合作的力量,才能实现我们共同的目标。”

  然而,与企业合作并不是一帆风顺的,姚元根也有“烦心”的时候。他说:“企业和科研单位的认知视角是不同的,企业最终的目的是盈利,甚至有些想搞技术垄断,矛盾和分歧是难免的。遇到这种情况,我们必须要保持紧密地沟通,求同存异,不然合作很难继续。”

  平常心看待国内外技术竞争

  从石油(乙烯)制乙二醇到煤制乙二醇,是工业化生产技术的一项变革。

  我国煤制乙二醇技术的开发一直得到国家的高度重视和大力支持,2009年,煤制乙二醇技术被列入国务院9号文“关于发挥科技支撑作用促进经济平稳较快发展的意见”中促进产业振兴的重点先进技术之一。2009年3月国务院颁布的《石化产业调整和振兴规划》(国发[2009]16号)明确指出:“重点抓好煤制乙二醇等五类示范工程,探索煤炭高效清洁转化和石化原料多元化发展的新途径”。 中国已有很多大型国营和民营企业对煤制乙二醇技术表现出浓厚的兴趣。姚元根说:“如果能成功进行大规模工业化推广,那么我国乙二醇的供应渠道将更加多样、更具竞争性,市场也会更加活跃。”

  当前,石油路线乙二醇与煤制乙二醇之间的竞争、国内外不同煤制乙二醇技术之间的竞争已经逐渐显露出来。

  我国乙二醇对外依存度高达67%,造成这一高依存度的主要原因是国内现有的石油路线的乙二醇生产能力不足,生产装置建设不能跟进。一般来说,要建设一套30万吨/年的环氧乙烷水合工艺生产乙二醇装置,撇开大量资本的投入不谈,建设周期至少需要3年时间,这远远赶不上我国乙二醇需求的增长。其次,技术都由国外垄断,关键设备也需要进口,生产成本相当高,导致我国乙二醇长期供不应求,大量依赖进口。此外,在高油价下石油路线乙二醇的生产成本必然增高,这在一定程度上也影响了投资商和生产商的积极性。

  以福建物构所为代表,我国拥有自主知识产权的煤制乙二醇成套技术。该技术为全球首创,设备全部实现国产化,不用说技术创新方面的应用,对提升综合装备制造能力也具有重大意义。内蒙古通辽的年产20万吨煤制乙二醇工业示范的生产原料是当地储量丰富而且价格低廉的褐煤,价格只有130元/吨左右。与石油路线相比,煤制乙二醇的生产成本要比石油路线低40%~50%,经济效益相当可观。据专家预测,未来油价仍将呈现上涨趋势,在这种情况下,煤制乙二醇技术在工业界的崭露头角就显得正当其时。与煤制油、煤制天然气相比,煤制乙二醇不仅原子经济型好,而且产品附加值高,经济效益更好。

  显著的经济效益和社会效益,使新一代煤制乙二醇技术受到众多企业的青睐。新一代技术更加注重工艺的先进性和环保安全性。

  在环保方面,由于采用洁净煤技术,煤制乙二醇不存在高排放和高度污染的问题。碳资源的利用率在70%左右,过程中的废固、废液和废气均得到有效处理,达到国家安全排放标准。煤制乙二醇完全符合循环经济三原则,即“减量化、再利用和再循环”,比传统工艺更加绿色环保。

  任何技术推广应用都具有一定风险相伴,对此,姚元根举例说:“从实验室装置到工业化试验装置,从1万吨级到20万吨级,这其中的放大风险都是存在的,在严谨的科学精神和一丝不苟的工作作风面前,风险是可以规避的。”

  姚元根的经验是,工业性试验成功并不意味着工业示范就一定会成功,在放大过程中肯定还存在一定的风险。为了进一步规避放大的技术风险,他们在年产20万吨乙二醇建设项目在设计和建设过程中,我们与设计单位和生产单位深入交流,对存在放大风险的部分,尤其是对主要的核心装置,进行了反复的技术论证和理论模拟,在中试规模的基础上进行合理比例的放大,也采用多台(套)并联的方法避免超大反应设备的制造,以达到工业示范装置规模的设计和工程化要求。

  当前,姚元根和他的团队的当务之急是进行新一代煤制乙二醇工业化推广,面对来自方方面面的压力和阻力,姚元根和他的研究和工程化团队都泰然应对,冷静处理。催化剂技术的应用是整个技术的核心,一直在不断地更新和完善。他们认为,在这么多的影响因素中,真正的挑战来自催化剂技术的可靠性,也就是我们自身的本领是否过得硬。

  目前,我国的这项技术已较为成熟。但姚元根也提到,产品的应用尤其在聚酯行业中还存在市场认可问题。他说:“有些企业不太愿意用煤炭做的乙二醇,主要是因为行业固有的认知让他们怀疑产品质量。但时间可以证明一切,我们有明显的成本优势,且产品已经达到了国家优级品的技术标准。”

  随着我们推出第一代煤制乙二醇技术,相继出现了多种国内外的同类技术,煤制乙二醇的技术市场也面临着激烈的竞争局面。目前,日本等发达国家也正在对煤制乙二醇进行研究,对此,姚元根表现得很谨慎:“在应用上讲,没有竞争的项目肯定不是好项目,这是个趋势。主要原因是全球工业上通用的环氧乙烷水合工艺制备乙二醇的成本高,严重依赖石油资源,世界各国都在寻找新的替代工艺。因此,我们要努力推广成熟的科研成果,抢占市场先机,同时,加强与企业间的合作,对现有技术进行不断升级,就能立于不败之地。”