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            2021-07-06   08:13:04
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            科技成果鑒定

            新一代煤制乙二醇再登巔峰

            關鍵詞: 發布時間:2018-04-03 來源:中國科技新聞網

            ——記中科院福建物構所姚元根和他的研發團隊


            石油、煤炭;乙二醇、煤制乙二醇技術、新一代煤制乙二醇技術,煤制乙二醇在聚酯行業的應用,這是多年來煤化工技術界和企業界共同關注的問題。隨著中科院福建物構所姚元根研究員帶領的中科院煤制乙二醇及相關技術重點實驗室和中科院福建物質結構研究所煤制乙二醇技術研發團隊推出煤制乙二醇工業化技術后,人們的認知已經發生了變化。

            技術領跑世界


            乙二醇是重要的、戰略性的大宗化工基本原材料,市場容量僅次于乙烯和丙稀。乙二醇主要用于制造聚酯(可進一步生產滌綸、飲料瓶、薄膜)、炸藥、乙二醛,并可作為防凍劑、增塑劑、水利流體和溶劑等。
            近三十年來,我國大宗化工產品需求量與日俱增。然而,我國由石油路線生產的乙二醇產能不足,大量依賴進口(進口依存度在三分之二以上),嚴重制約了我國以乙二醇為原料的基礎化工的發展,在聚酯領域更為明顯。
            目前全世界用石油生產的2000多萬噸乙二醇,若都不以石油為原料生產,那么,每年可節省5000萬噸石油,相當于一個大型油田的原油產量。人們都希望開發出一種不依賴石油資源、經濟效益高的新的乙二醇生產技術路線。煤制乙二醇技術的思路早在上世紀八十年代就提出來了,不僅符合我國的資源特點(缺油、少氣、煤炭資源相對豐富),而且生產成本低,所以一直受到中國煤化工產業界高度重視。
            自1965年美國人Fenton首次提出醇類氧化羰化法制備草酸酯后,各國都在研發以合成氣為原料制備草酸酯再加氫成乙二醇的工藝,也就是“煤制乙二醇”技術。1978年日本宇部興產公司首先建成了一套年產6000噸草酸二丁酯的高壓液相試驗裝置,其后又與美國UCC合作開發了常壓氣相合成草酸酯工藝,完成了模試和中試,但均沒有實現工業化生產。在2008年前,國內也有多家研究機構開展了合成氣制備草酸酯和乙二醇的研究,但都處于實驗室技術和中試階段,工業化試驗一直沒有成功。
            中科院福建物構所自上世紀八十年代就開發了先進的煤制乙二醇成套技術及其催化劑技術,經多年努力,在2008年,中科院煤制乙二醇技術團隊終于攻克了以煤炭代替石油(乙烯)生產乙二醇的關鍵技術,與企業合作成功開發了煤制乙二醇成套技術(第一代技術),并通過了由中科院組織的成果鑒定。
            2009年在人民大會堂隆重舉行了“世界首創萬噸級煤制乙二醇工業化示范”新聞發布會,在國際上率先實現了煤制乙二醇技術的工業化,引領了世界煤制乙二醇技術的發展方向。此項成果分別獲得了中科院杰出科技成就獎和科技成果轉移轉化團隊突出貢獻獎,被評為2009年度中國十大科技進展之一。

            2008年以后,為解決第一代技術在工業化應用過程中存在的一些技術問題, 中科院福建物構所煤制乙二醇技術攻關組在國家多項重大研究計劃的支持下,研發成功具有獨立知識產權的“新一代煤制乙二醇技術”。相比于第一代技術,新一代煤制乙二醇技術進一步優化了工藝流程,加強了環保和安全控制,降低了催化劑貴金屬負載量,催化劑性能顯著提升,經濟效益大幅提高。相關科研成果已申請國家發明專利64件,授權15件,形成了新一代煤制乙二醇技術的系統專利池,使這項技術繼續領跑世界。
            科研成果的終極意義在于應用。多年來,為了使新一代煤制乙二醇技術實施工業化,姚元根團隊采取多種方式與企業開展合作交流與商談。國家需求和國際新技術市場的競爭,讓他們加快了技術成果工業化的步伐。姚元根自信地說:“如果我們研制的新一代煤制乙二醇工業化生產技術能迅速得到推廣,將對我國能源安全和聚酯產業的發展產生重要的積極影響。”
            姚元根告訴記者,實驗室瞄準的是國家重大需求和世界煤化工技術發展前沿,研發的新一代煤制乙二醇及相關共性技術,持續引領國際煤制乙二醇技術的發展方向。我們還注重發展煤制乙二醇的技術延伸和產品延伸新技術,高效利用我國豐富的煤炭資源生產高附加值大宗化學品和精細化學品。2017年,實驗室成功申請到國家重點研發計劃項目“環保涂料用酯類單體與綠色溶劑高效制備技術”和“高附加值精細化工產品的多相納米催化材料與工程化”項目,進一步開發煤制乙二醇技術相關的產業化新技術。姚元根透露,目前正在籌劃省級工程技術研究中心,未來的目標是把實驗室發展成國家級的工程技術研究中心。“在接下來的兩三年時間內,我們將全力推進新一代煤制乙二醇技術的60萬噸工業示范,并在2020年實現投產。”


            實驗室集體的共同努力


            新一代煤制乙二醇的研發既有戰略意義更有工業應用的巨大價值,長期得到了國家各類項目的大力支持。與第一代煤制乙二醇技術相比,新一代煤制乙二醇技術在諸多方面得到了顯著提升。
            2008年實現工業化的第一代煤制乙二醇技術貴金屬用量較大,選擇性和穩定性還需進一步提高,同時乙二醇優級品率低,能耗相對較大。在新一代煤制乙二醇技術方面,他們開發了全新的三種核心催化劑,優化了工藝流程和產品提純方案,大幅度提高了各項技術和經濟指標。
            生于1962年的姚元根是一位踏實的科學家,他從1982年畢業于廈門大學到1989年到中國科學院福建物質結構研究所做博士后的這段時間,確定了他的科研方向。作為訪問學者,他先后到英國Newcastle大學化學、日本岡山理科大學學習和工作。1993回國,到福建物質結構研究所,被聘為副研究員,1998年被聘為研究員,1999年被聘為博士生導師。曾任福建物質結構研究所副所長,《結構化學》常務副主編。主要研究方向: 煤制乙二醇技術及其新型催化劑;重要生物過程中的結構化學問題(金屬簇物對氮等小分子的成鍵和活化機理)。已發表研究論文200多篇,申請中國發明專利64項。他的經歷和成就,使他在團隊中具有極高的威信,團隊成員評價他說,不論遇到什么樣的困難,姚主任總有一股子百折不撓執著的拼勁。
            目前,中科院煤制乙二醇及相關技術重點實驗室已基本具備新型催化劑的物相分析、結構分析、表面性能、催化劑性能評價等領域的測試分析,共有重要儀器和設備100多臺(套)。這個重點實驗室是一支年輕的隊伍,在55名成員中,有39人在40歲以下。姚元根說:“我們以‘創業引人、事業留人’為宗旨,以‘和諧發展、和諧競爭、激勵創新、跨越發展’為實驗室精神,支持科研人員開展工作。”
            姚元根介紹說,無論是依托單位福建物構所還是院重點實驗室,都千方百計地給青年科研人員提供舞臺和機會。他舉例說:“貴州的中試現場有120人,其中20多人來自物構所,這里與實驗室的工作完全不一樣,通過‘工地現場經歷’,我們培養了一批能解決實際問題的技術和管理骨干。”
            通過實驗室的集體努力, 2015年實驗室被人社部和中科院評為中國科學院先進集體。2017年,在中科院材料和工程領域34個院重點實驗室評估中,該實驗室被評為A類。


            技術工業化矢志不渝


            院企合作,是近年來的老生常談,也是必然趨勢。
            利益最大化永遠是企業的不二追求,你拿什么與企業合作?
            姚元根的經驗是:給企業最需要的,讓你的成果成為企業取得利益最大化的競爭力支撐,這是合作的基點。
            姚元根研發的新一代煤制乙二醇生產技術在性價比上的優勢,讓眾多煤化工企業家看到了巨大的市場潛力和豐厚的投資回報。
            2016年,福建物構所與貴州鑫醇能源有限公司共同出資成立了貴州鑫醇科技發展有限公司,首先開展千噸級新一代煤制乙二醇技術的工業化試驗裝置的建設,主營煤制乙二醇等新型煤化工技術開發、催化劑生產與銷售、技術許可與轉讓、工藝包裝設計與相關技術培訓服務。
            回顧技術轉化,姚元根感慨道:“我們發揮了‘不等不靠不要’的精神,主動與企業進行合作對接,采取了科研、工藝技術和資本互相結合的模式,才取得了這樣的成績。”在此期間,實驗室聯合中石化洛陽(廣州)工程有限公司做了很多新工藝技術的開發和設計,顯著降低了能耗,經濟效益大幅度提升,每噸乙二醇的生產成本由5000元降低到4000元。
            在技術推廣的路上,哪里產煤,哪里就能看到姚元根推廣新一代煤乙二醇技術的身影。在網上,只要在網上搜索“乙二醇”或“姚元根”,就會出現一長串的相關條目。
            2009年12月9日,內蒙古通遼金煤化工有限公司20萬噸煤制乙二醇工業示范裝置實現了全流程運行。2010年6月21日,通遼金煤年產 10萬噸煤制草酸項目實現聯動試車,草酸生產線各工序流程全部打通,并順利試產出合格的草酸產品。自2011年10月底開始進行停車消缺,前期開車后一直保持穩定運行,生產負荷已逐步穩定至設計能力的75%以上。2011年11月18日成功達產。2013年,通遼金煤共生產乙二醇8.95萬噸、草酸3.93萬噸,全年平均生產負荷為54.59%(其中下半年為72.98%),乙二醇業務銷售量8.8萬噸,營業收入5.07億元。
            姚元根在回憶最近3年在貴州的中試工作時說:“3年來,每年我幾乎有10個月在貴州,感覺像是在這里‘插隊’,但我們團隊的每一位成員心懷同一個夢想,就是把新一代煤制乙二醇技術推向工業化。雖然辛苦,但非常值得。”
            姚元根團隊的新一代煤制乙二醇技術之所以推廣神速,在技術可靠之外,與合作企業在生產過程中的技術支持是分不開的。他說:“把一項技術推向工業化需要很多人才,除了我們這個研發隊伍,還需要管理、技術、工藝、設計等方面的人才。如果想把廠子運行起來,還要好多懂設備的人才,只有團隊合作的力量,才能實現我們共同的目標。”
            然而,與企業合作并不是一帆風順的,姚元根也有“煩心”的時候。他說:“企業和科研單位的認知視角是不同的,企業最終的目的是盈利,甚至有些想搞技術壟斷,矛盾和分歧是難免的。遇到這種情況,我們必須要保持緊密地溝通,求同存異,不然合作很難繼續。”


            平常心看待國內外技術競爭


            從石油(乙烯)制乙二醇到煤制乙二醇,是工業化生產技術的一項變革。
            我國煤制乙二醇技術的開發一直得到國家的高度重視和大力支持,2009年,煤制乙二醇技術被列入國務院9號文“關于發揮科技支撐作用促進經濟平穩較快發展的意見”中促進產業振興的重點先進技術之一。2009年3月國務院頒布的《石化產業調整和振興規劃》(國發[2009]16號)明確指出:“重點抓好煤制乙二醇等五類示范工程,探索煤炭高效清潔轉化和石化原料多元化發展的新途徑”。 中國已有很多大型國營和民營企業對煤制乙二醇技術表現出濃厚的興趣。姚元根說:“如果能成功進行大規模工業化推廣,那么我國乙二醇的供應渠道將更加多樣、更具競爭性,市場也會更加活躍。”
            當前,石油路線乙二醇與煤制乙二醇之間的競爭、國內外不同煤制乙二醇技術之間的競爭已經逐漸顯露出來。
            我國乙二醇對外依存度高達67%,造成這一高依存度的主要原因是國內現有的石油路線的乙二醇生產能力不足,生產裝置建設不能跟進。一般來說,要建設一套30萬噸/年的環氧乙烷水合工藝生產乙二醇裝置,撇開大量資本的投入不談,建設周期至少需要3年時間,這遠遠趕不上我國乙二醇需求的增長。其次,技術都由國外壟斷,關鍵設備也需要進口,生產成本相當高,導致我國乙二醇長期供不應求,大量依賴進口。此外,在高油價下石油路線乙二醇的生產成本必然增高,這在一定程度上也影響了投資商和生產商的積極性。
            以福建物構所為代表,我國擁有自主知識產權的煤制乙二醇成套技術。該技術為全球首創,設備全部實現國產化,不用說技術創新方面的應用,對提升綜合裝備制造能力也具有重大意義。內蒙古通遼的年產20萬噸煤制乙二醇工業示范的生產原料是當地儲量豐富而且價格低廉的褐煤,價格只有130元/噸左右。與石油路線相比,煤制乙二醇的生產成本要比石油路線低40%~50%,經濟效益相當可觀。據專家預測,未來油價仍將呈現上漲趨勢,在這種情況下,煤制乙二醇技術在工業界的嶄露頭角就顯得正當其時。與煤制油、煤制天然氣相比,煤制乙二醇不僅原子經濟型好,而且產品附加值高,經濟效益更好。
            顯著的經濟效益和社會效益,使新一代煤制乙二醇技術受到眾多企業的青睞。新一代技術更加注重工藝的先進性和環保安全性。
            在環保方面,由于采用潔凈煤技術,煤制乙二醇不存在高排放和高度污染的問題。碳資源的利用率在70%左右,過程中的廢固、廢液和廢氣均得到有效處理,達到國家安全排放標準。煤制乙二醇完全符合循環經濟三原則,即“減量化、再利用和再循環”,比傳統工藝更加綠色環保。
            任何技術推廣應用都具有一定風險相伴,對此,姚元根舉例說:“從實驗室裝置到工業化試驗裝置,從1萬噸級到20萬噸級,這其中的放大風險都是存在的,在嚴謹的科學精神和一絲不茍的工作作風面前,風險是可以規避的。”
            姚元根的經驗是,工業性試驗成功并不意味著工業示范就一定會成功,在放大過程中肯定還存在一定的風險。為了進一步規避放大的技術風險,他們在年產20萬噸乙二醇建設項目在設計和建設過程中,我們與設計單位和生產單位深入交流,對存在放大風險的部分,尤其是對主要的核心裝置,進行了反復的技術論證和理論模擬,在中試規模的基礎上進行合理比例的放大,也采用多臺(套)并聯的方法避免超大反應設備的制造,以達到工業示范裝置規模的設計和工程化要求。
            當前,姚元根和他的團隊的當務之急是進行新一代煤制乙二醇工業化推廣,面對來自方方面面的壓力和阻力,姚元根和他的研究和工程化團隊都泰然應對,冷靜處理。催化劑技術的應用是整個技術的核心,一直在不斷地更新和完善。他們認為,在這么多的影響因素中,真正的挑戰來自催化劑技術的可靠性,也就是我們自身的本領是否過得硬。
            目前,我國的這項技術已較為成熟。但姚元根也提到,產品的應用尤其在聚酯行業中還存在市場認可問題。他說:“有些企業不太愿意用煤炭做的乙二醇,主要是因為行業固有的認知讓他們懷疑產品質量。但時間可以證明一切,我們有明顯的成本優勢,且產品已經達到了國家優級品的技術標準。”
            隨著我們推出第一代煤制乙二醇技術,相繼出現了多種國內外的同類技術,煤制乙二醇的技術市場也面臨著激烈的競爭局面。目前,日本等發達國家也正在對煤制乙二醇進行研究,對此,姚元根表現得很謹慎:“在應用上講,沒有競爭的項目肯定不是好項目,這是個趨勢。主要原因是全球工業上通用的環氧乙烷水合工藝制備乙二醇的成本高,嚴重依賴石油資源,世界各國都在尋找新的替代工藝。因此,我們要努力推廣成熟的科研成果,搶占市場先機,同時,加強與企業間的合作,對現有技術進行不斷升級,就能立于不敗之地。”

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