煤制油技術(shù)：把能源命脈攥在手里

日前，“400萬噸/年煤間接液化成套技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項目獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎。

這一全球單體規(guī)模最大的400萬噸/年煤間接液化項目是如何誕生的?自主核心技術(shù)高溫漿態(tài)床費托合成工藝與催化劑難題又是如何攻克的?

項目第二完成人、中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所(以下簡稱山西煤化所)研究員、中科合成油技術(shù)有限公司首席科學(xué)家李永旺領(lǐng)導(dǎo)并見證了二十多年來煤制油技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)的全過程。

艱難追逐“人造石油”夢

2016年12月5日22時16分，神華寧煤400萬噸/年煤制油工程Ⅰ系列油品合成裝置費托合成反應(yīng)器開始投料，23時50分各項指標(biāo)分析合格，煤制油全流程被打通。

在德國科學(xué)家費歇爾和托普森發(fā)現(xiàn)費托合成反應(yīng)近百年后，我國完全掌握了百萬噸級煤炭間接液化工程的工業(yè)核心技術(shù)，成為全世界少數(shù)掌握該技術(shù)的國家之一。

實際上，這項發(fā)達(dá)國家無不渴求的關(guān)鍵技術(shù)，在我國曾多次遭受冷遇，險些熄滅火種。

1953年，中國科學(xué)院煤炭研究室(山西煤化所前身)在成立的同時，就開展4500噸/年熔鐵催化劑流化床合成油試驗。但在這個關(guān)鍵時刻，大慶油田的發(fā)現(xiàn)讓中國放棄了對“人造石油”的探索。

改革開放后不久，世界石油危機爆發(fā)，我國又很難再找到第二個大慶油田。富有遠(yuǎn)見的能源科學(xué)家再次將眼光落在了煤制油上。

在鮑漢琛和張碧江兩任所長的組織下，山西煤化所開始攻關(guān)煤炭間接液化的固定床兩段法合成汽油工藝技術(shù)，研發(fā)持續(xù)了十余年后，于1993~1994年在山西晉城化肥廠完成了2000噸/年工業(yè)試驗，產(chǎn)出90號汽油產(chǎn)品。但由于油價低迷、科研經(jīng)費短缺、技術(shù)經(jīng)濟性差等原因，試驗隨后處于暫時停滯狀態(tài)。

1997年冬天，李永旺被召回國。剛踏入國門的他就被山西煤化所時任所長鐘炳急切地召集到辦公室。“所有參加煤制油攻關(guān)的課題組都處于解散的邊緣，你回來負(fù)責(zé)煤制油技術(shù)開發(fā)，人員隨你調(diào)，隊伍不能散。”鐘炳這番話讓李永旺不由得倒吸一口涼氣。

李永旺首先把與合成油相關(guān)的5個課題組整合在一起，并決定在合成工藝的主攻方向作出重大轉(zhuǎn)變，由原來的固定床費托合成油工藝改變?yōu)楦鼮橄冗M(jìn)的漿態(tài)床費托合成油工藝。

任務(wù)調(diào)頭，困難加倍。1998年，實驗室成功研制出高性能低溫漿態(tài)床費托合成鐵基催化劑，同時蠟催化劑分離技術(shù)也獲得重大進(jìn)展，漿態(tài)床煤制油工藝的技術(shù)經(jīng)濟性瓶頸得到突破。

李永旺仔細(xì)分析了從煤到成品油全流程工藝，認(rèn)為如果漿態(tài)床費托合成能夠在較高溫度下進(jìn)行，就能充分利用費托合成反應(yīng)熱，提高煤制油的整體能量利用效率。由此，他在國際上首次提出全新的高溫漿態(tài)床費托合成油概念和工藝技術(shù)。

在合成油裝置放大規(guī)模上，李永旺覺得，千噸級漿態(tài)床煤制油裝置是具有代表性的最小規(guī)模，而這已是實驗室小型裝置的2000倍。要往前走，至少需要8000多萬元的科研投入。這對他們來說幾乎是天方夜譚。

煤制油走出實驗室

在李永旺回國前，他的老師、化工工程專家Froment教授意味深長地說：“可以預(yù)見的是，10年內(nèi)煤制油在中國可能會有大動作，而這個技術(shù)要想達(dá)到工業(yè)化，至少需要10年?；厝グ?，小伙子，我教給你的動力學(xué)與反應(yīng)器知識也許會有用。”

“那時真是到了山窮水盡的地步，我們的科研經(jīng)費也花得差不多了，眼看實驗室就要赤字運行了。”2001年7月，苦于無工業(yè)中試階段經(jīng)費的李永旺與時任山西煤化所所長孫予漢向中科院匯報了煤制油技術(shù)的研發(fā)處境。之后，煤制油項目被列為首批啟動的中科院知識創(chuàng)新工程重大項目，并得到3000萬元經(jīng)費支持，這也促進(jìn)了科技部“863”計劃“煤制油”重大項目的啟動。

2002年9月，千噸級工業(yè)中試試驗裝置建成并試車成功。一石激起千層浪。煤制油中試裝置成功出油的消息獲得全行業(yè)的高度關(guān)注，山西潞安集團(tuán)、中國神華集團(tuán)、徐州礦業(yè)集團(tuán)等紛紛前來考察，要求投入資金進(jìn)一步完善煤制油中試技術(shù)。

2006年2月，由山西煤化所、內(nèi)蒙古伊泰集團(tuán)、神華集團(tuán)、山西潞安礦業(yè)集團(tuán)、徐州礦務(wù)集團(tuán)和連順能源共同投資，成立中科合成油技術(shù)有限公司，之后在工程化實施過程中又相繼成立中科合成油工程有限公司和中科合成油催化劑有限公司。

“一項技術(shù)必須經(jīng)過‘實驗室—工業(yè)中試試驗—工業(yè)化示范—大規(guī)模工業(yè)化示范—商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)’這樣一個過程。”李永旺對《中國科學(xué)報》說，煤制油是一項非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及幾百個?？?、上千個節(jié)點，每一個點上都有對應(yīng)的專門人員。而他所在的單位，掌握著成套的核心煤制油工藝和催化劑生產(chǎn)配方技術(shù)，一個人走了，不僅會導(dǎo)致技術(shù)外流，整個項目也得從頭再來，損失無法估量。

李永旺將市場經(jīng)濟同國際上先進(jìn)的獎勵制度結(jié)合起來，研究出一套新型的激勵制度。從最初的三五個人到后來的1000多人，他的團(tuán)隊就像一塊巨大的磁鐵，不斷將科研行業(yè)精英吸引到身邊。2008年初，科技團(tuán)隊通過借貸方式投資擁有了公司部分股份，解決了科技人員的吸引、穩(wěn)定和長期激勵等問題。

股權(quán)社會化就像化學(xué)反應(yīng)中的催化劑，加快了科研成果轉(zhuǎn)化的反應(yīng)速度，為煤制油示范廠建設(shè)運行插上騰飛的翅膀。

百年夢終成現(xiàn)實

回國不到十年，李永旺已經(jīng)按照與導(dǎo)師的約定，將煤制油技術(shù)向工業(yè)應(yīng)用方面推進(jìn)了一大步。

2009年，春寒料峭的內(nèi)蒙古鄂爾多斯草原上，我國第一個16萬噸/年煤炭間接液化示范裝置試車成功，烏黑的煤炭化作清澈的柴油噴涌而出。2011年開始建設(shè)世界單套最大規(guī)模400萬噸/年煤制油商業(yè)示范裝置;2016年建成并實現(xiàn)了一次性開車成功;2017年又相繼建成投產(chǎn)了內(nèi)蒙古伊泰杭錦旗120萬噸/年和山西潞安100萬噸/年兩個百萬噸煤制油裝置……

隨著工廠規(guī)模越來越大，李永旺團(tuán)隊的關(guān)注點也發(fā)生了變化。“我們技術(shù)基本成熟，下一步就要向著大型綜合一體化、產(chǎn)品多元化高值化方向發(fā)展，裝置規(guī)模向500萬噸級或1000萬噸級的綜合一體化方向發(fā)展，加快技術(shù)升級步伐，形成柴油—汽油—航油—潤滑油—化學(xué)品聯(lián)產(chǎn)成套新技術(shù)，爭取2025年煤基合成油替代石油能力達(dá)到2000萬噸以上。”

盡管技術(shù)突飛猛進(jìn)，煤制油的外部環(huán)境卻撲朔迷離。一方面煤炭和石油的價格始終影響著煤制油技術(shù)、工藝的發(fā)展速度;另一方面煤化工項目對二氧化碳減排的要求也越來越緊迫。

“煤制油在油價高時還有利潤，油價低、煤價高時利潤空間就小了。”談到煤制油的外部環(huán)境時，李永旺對記者說，“現(xiàn)在全球能源價格體系比較混亂，不好預(yù)測，以前國際原油連續(xù)10年都在每桶100美元以上，最近幾年下降到60美元左右，現(xiàn)在又漲到80多美元，但國內(nèi)煤價又突然漲了二三倍，變化太大。”

為了抑制煤價、油價波動對企業(yè)造成的風(fēng)險，只能通過技術(shù)創(chuàng)新，要把技術(shù)做精做細(xì)，提高經(jīng)濟效益，而創(chuàng)新則是技術(shù)發(fā)展的源頭和不竭動力。

李永旺表示，該團(tuán)隊目前正在延伸產(chǎn)品鏈上下功夫，深加工生產(chǎn)高值的特種燃料、潤滑油、溶劑油、高熔點費托蠟，如潞安除生產(chǎn)柴油、石腦油、LPG外，還生產(chǎn)出高值的太行牌潤滑油、系列牌號的高熔點費托蠟等產(chǎn)品;伊泰也生產(chǎn)出了C6-C8的單質(zhì)正構(gòu)烷烴溶劑油。

“在未來新上的煤制油項目上，我們將進(jìn)一步提高其能源綜合利用效率，將碳減排技術(shù)與煤制油技術(shù)相耦合，盡最大努力減排二氧化碳，同時滿足國家對油氣的重大核心需求。” 李永旺說。

對于煤制油未來前景，他認(rèn)為，在短中期內(nèi)我國油氣短缺的局面較難改變，煤制油滿足國家油氣的核心需求是第一位的，煤制油至少在二三十年內(nèi)仍然會發(fā)揮重要的作用。

放眼長遠(yuǎn)，李永旺提出了一套發(fā)展思路——技術(shù)研發(fā)重點將逐步由制油為主轉(zhuǎn)變?yōu)橹聘咧祷瘜W(xué)品和材料為主，并進(jìn)一步加大低質(zhì)褐煤、生物質(zhì)、有機垃圾等含碳資源的能源轉(zhuǎn)化，以實現(xiàn)新的技術(shù)革命。