微米和纳米科技材料

煤制油技术:掌握能源的命脉

高温浆态床合成油反应器工业装置

李永旺(右四)和部分研究团队成员

煤基合成油产品。最近,“400万吨/年煤间接液化成套技术创新开发及产业化”项目获得国家科技进步一等奖

这项世界上单体规模最大的400万吨/年煤间接液化项目是如何诞生的?如何克服高温浆态床费托合成工艺及催化剂的问题

李永旺,项目二期完成,中科院山西煤化学研究所研究员(以下简称山西煤化学研究所)2016年12月5日22时16分,中科合成油科技有限公司首席科学家带领并见证了过去20年煤制油技术创新发展的全过程,神华宁400万吨/年煤制油项目一系列油合成装置费托合成反应器开始进料。23:50,各项指标分析合格,煤制油全流程开通

费希尔和汤普森发现费希尔-托氏合成反应近百年后,中国已全面掌握百万吨煤间接液化项目的工业核心技术,并成为世界上少数掌握这项技术的国家之一

事实上,发达国家都渴望的这项关键技术在中国多次被忽视,并在1953年中国科学院煤炭研究室(山西煤化学研究所前身)成立,进行了4500t/a铁水催化剂流化床合成油的试验,但在这个关键时刻,大庆油田的发现使中国放弃了“人造油”的勘探

改革开放后不久,世界石油危机爆发,中国很难找到第二个大庆油田。富有远见的能源科学家再次将目光投向煤制油

在鲍汉臣和张碧江的组织下,山西煤化工研究所开始着手解决固定的bed煤间接液化两段合成汽油工艺技术,经过十多年的研发,1993年至1994年在山西晋城化肥厂完成了2000吨/年的工业试验,生产了90号汽油产品,但由于油价低,科研经费不足1997年冬天,李永旺被召回中国。他一进入中国,就迫不及待地被当时的山西煤化工研究所所长钟兵召到办公室。“参与煤制油研究的所有研究小组都处于解散的边缘,你回来负责煤制油技术的开发,人员可以随你调整,团队不能分散。”钟兵的话让李永旺喘了一口气

李永旺首先整合了与合成油相关的五个研究小组,决定对合成工艺的主要方向进行重大变革,从原来的固定床费托合成油工艺向更先进的浆态床费托合成油工艺转变

扭转乾坤,难度加倍。1998年,实验室成功研制出高性能低温浆态床费托合成铁基催化剂。同时,蜡催化剂分离技术取得重大进展,浆态床煤的技术经济瓶颈o突破油法

李永旺仔细分析了从煤到成品油的整个过程,认为如果浆态床费托合成能在较高温度下进行,就能充分利用费托合成反应热,提高煤制油的整体能源利用效率因此,他在世界上首次提出了高温浆态床费-托合成油的新概念和工艺技术

关于合成油装置的放大,李永旺认为1000吨浆态床煤制油装置是最小的代表性规模,w这是实验室中小型装置的2000倍。要向前发展,我们至少需要8000多万元的科研投资。这几乎是不可能的。在李永旺回家之前,他的老师和化学工程工程师弗罗门特专家教授意味深长地说:“可以预测,中国在10年内可能会有一个大的进步,这项技术至少需要10年才能实现工业化。年轻人,回过头来,我教你的动力学和反应器知识可能会有用。”

“那时,我们真的处于水深火热之中,我们的科研经费几乎花光了,我们看到实验室将出现赤字。”2001年7月,李永旺和时任山西煤化学研究所所长孙玉汉向中国科学院汇报了煤制油技术的研发情况,随后,煤制油项目被列为中国科学院知识创新工程首批重大项目之一并得到3000万元的支持,推动了“863”的“煤改油”科技部重大项目启动计划。

2002年9月,1000吨工业中试装置建成并成功试验,一石激起千波。煤制油中试成功投产的消息引起了全行业的高度关注山西潞安集团、中国神华集团和徐州矿业集团已前来参观,并要求资金进一步改进煤制油试点技术。

2006年2月,中科合成油技术有限公司由山西煤化工研究所、内蒙古伊泰集团、神华集团、山西潞安联合投资成立安矿集团、徐州矿业集团、联顺能源。在工程实施过程中,先后成立了中科合成油工程有限公司和中科合成油催化剂有限公司。

“一项技术必须经过‘实验室—工业中试—工业化示范—大规模工业化示范—商业化大规模生产’的过程。”李永旺在接受《中国科学报》采访时表示,煤制油是一项非常复杂的系统工程,涉及数百个专业、数千个节点,每一点都有相应的专业人员。他的单位拥有一整套核心煤制油工艺和催化剂生产配方技术。放任不管不仅会导致要技术外流,还要整个项目从头开始,损失是无法估量的。

李永旺将市场经济与国际先进的激励体系相结合,开发了一套新的激励体系,从最初的三五人到后来的1000多人,他的团队就像一个巨大的magnet,不断吸引科研行业的精英。2008年初,科技团队通过贷款方式投资并持有公司部分股份,解决了科技人员的吸引力、稳定性和长期激励问题。

股权社会化就像一场革命化学反应中的催化剂,加快了科研成果转化的反应速度,为煤制油示范工厂的建设和运营增添了翅膀根据2009年与导师达成的协议,永旺将煤制油技术应用于工业,中国第一台16万吨/年煤间接液化示范装置在内蒙古鄂尔多斯冷泉草原成功试验,黑煤变成了清洁柴油世界上最大的单台400万吨/年煤制油商业示范装置开工建设;2016年,该装置于2017年一次性建成投产,先后建成内蒙古伊泰杭锦旗120万吨/年煤制油装置和山西潞安100万吨/年煤制油装置随着工厂规模的扩大,李永旺团队的工作重点也发生了变化。”我们的技术已基本成熟,下一步将向大规模综合集成、产品多样化、高价值方向发展,单位规模将向500万吨或1000万吨的综合集成方向发展,加快技术升级步伐,形成一整套新技术用于柴油-汽油-航空油-润滑油化学品的联合生产,力争到2025年实现20%的煤基合成油替代石油的能力超过万吨。“

尽管技术发展迅速,但煤制油的外部环境是复杂的。一方面,煤和油的价格总是影响煤制油技术和工艺的发展速度;另一方面

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