一等奖里的“全球第一”
阅读提示：获奖项目首创了自主知识产权的全流程S-MTO技术，使我国成为世界上第一个掌握自主知识产权的全流程MTO技术国家，MTO同时也是我国在世界上处于完全主导地位的化工技术。
记者｜陈 冰
在刚刚举行的2017国家科学技术奖励大会上，中国石化上海石油化工研究院牵头完成的“高效甲醇制烯烃全流程技术”项目荣获国家科技进步一等奖。
获奖前夕，记者来到上海石油化工研究院一探究竟。获奖项目首创了自主知识产权的全流程S-MTO技术，持续不断创新，并实现工业转化，使我国成为世界上第一个掌握自主知识产权的全流程MTO技术国家，MTO同时也是我国在世界上处于完全主导地位的化工技术。
“上海智慧”解决能源难题
“富煤、贫油、少气”是我国能源发展面临的现状。国际能源署数据显示，目前我国石油、天然气人均资源量仅为全球平均水平约18%和7%。我国原油对外依存度已接近60%。随着我国经济规模的扩大和工业化水平的提高，资源供给的压力还将持续增大，这一局面将严重影响我国的能源安全。
此外，我国的资源利用率不高。目前我国石油化工资源利用率低于世界平均水平，与世界先进水平还有很大的差距，比如我国每年的碳四副产资源量高达1390万吨，而其化工利用率仅为30%，远低于60%~85%的世界先进水平，带来了资源的浪费和生态环境的压力。
上海石油化工研究院杨为民院长指出，我国“富煤少油”的资源结构决定了开发煤炭资源高效清洁利用技术，是当前甚至未来实现能源、资源补充和替代的重要途径。
经过多年的努力，我国已经开发和建设了煤制油、煤制烯烃、煤制二甲醚、煤制乙二醇和煤制天然气等现代煤化工产品、技术和装备，并且初具规模。相关机构预测，到2025年，我国煤制烯烃将达到烯烃总产能的26%，发展煤制烯烃（MTO）可减少对石油资源的高度依赖，可以说是煤代油战略的核心。煤制烯烃的发展，既满足了日益增长的烯烃产业需求，又实现了煤炭的综合清洁利用。
广义的MTO，指的是经由甲醇路线制取烯烃的一种工艺，它以煤或天然气合成的甲醇为原料，借助类似催化裂化装置的流化床反应形式，生产低碳烯烃。简单点说，就是先将甲醇转化成富含烯烃产品的气，再将这些气分离成乙烯和丙烯。
乙烯和丙烯是化学工业的基石，通常代表一个国家的化学工业水平，且与人们的生活息息相关，在国民经济中占据重要地位。在农业、汽车、国防、建筑和日用品中有大量应用。
杨为民院长指出，MTO发展的重大技术挑战有“三高”，一是催化剂要高选择性；二是流化床反应工程与工艺要高时空收率；三是烯烃分离工艺要高回收率。“最后一个还要有安全环保节能的综合技术。”杨为民说，“这些重大MTO核心技术的突破体现了化学工业发展的创新水平。”
这个项目历经十余年持续创新，率先创制了扩散性能优异的纳米片晶多级孔SAPO-34分子筛，开发了高效流化床MTO催化剂；首次开发了MTO大型快速流化床反应器技术；首创了前脱乙烷-碳四烃吸收的高效分离新工艺，解决了从实验室到大型化的高效反应分离关键科学与工程技术问题。通过上述原创及重大技术突破，全流程S-MTO技术实现国际领先。
2007年万吨级工业示范通过鉴定，2011年60万吨/年工业装置成功运行，2016年世界最大规模的360万吨/年工业装置建成投产，近三年新增产值59.4亿元，新增利润13亿元，在国际上首次提出并证实“烯烃烃池活性中心”新概念，研究成果相继发表于国际重要学术期刊，获中国授权发明专利260件，国际发明专利23件。
S-MTO技术的成功开发，使我国成为世界上第一个掌握自主知识产权全流程MTO技术的国家，成套大型工业装置的完全自主开发、设计、制造、建设、运行，践行了中国创造，具有里程碑的意义。
偶然发现的高效分子筛
从国外发表的专利看，MTO研究开发的重点主要集中在催化剂的改进上，以提高低碳烯烃的选择性。
Mobil公司最初开发的MTO催化剂为ZSM-5，其乙烯收率仅为5%。改进后的工艺名称MTE，即甲醇转化为乙烯，最初为固定床反应器，后改为流化床反应器，乙烯和丙烯的选择性分别提升到了45%和25%。
而UOP开发的以SAPO-34为活性组分的MTO-100催化剂，乙烯选择性明显优于ZSM-5，使MTO工艺取得突破性进展。其乙烯和丙烯的选择性分别为43%～61.1%和27.4%～41.8%。国际上的一些知名石化公司都投入巨资进行技术开发。
科学家们将各种金属元素引入SAPO-34骨架上，得到称为MAPSO或ELPSO的分子筛，这是催化剂改型的重要手段之一。金属离子的引入会引起分子筛酸性及孔口大小的变化，孔口变小限制了大分子的扩散，有利于小分子烯烃选择性的提高，形成中等强度的酸中心，也将有利于烯烃的生成。
中国石化上海石油化工研究院研究七部副主任、教授级高工刘红星博士及其研究团队经过多年的潜心专研，在一个偶然的机会发现了纳米片晶多级孔SAPO-34分子筛，从而开发出了高性能的催化剂，显著提升了乙烯+丙烯的选择性，同时大幅降低了催化剂的消耗。
记者在上海石油化工研究院的相关实验室见到了这种像食盐一样的片状晶体多级孔SAPO-34分子筛，很难想象它是刘红星及其研究团队经过了数千次试验才寻找到的优秀分子筛。站在价值数百万美元的分子筛制备机器前，刘红星感慨，自己从事甲醇制烯烃项目17年，起先项目并不受关注，也没有什么成果产生，一直是在“寂寞中坚守，默默地做好自己的工作”。
从美国人首先发明了立方体SAPO-34分子筛，到上海石油化工研究院创新团队创制纳米片晶多级孔分子筛，一晃就是十年光阴。“对于搞科研的人来说，十年出一个成果实在太正常不过。”刘红星坦言，天道酬勤。正是创新团队的勤奋工作，才让机会来到的时候能够脱颖而出。
高效的反应器技术
甲醇制烯烃的技术，说得简单一点就是甲醇在分子筛催化剂作用下脱水生成二甲醚、甲醇和水的混合物，进一步转化生成烃类混合产物，再经过分离和提纯后得到乙烯、丙烯和轻质燃料等。
中国石化上海石油化工研究院牵头完成的S-MTO技术在催化剂、反应器、分离工艺方面都有别于同类技术，实现国际领先。
虽然国内外MTO的工艺流程区别不大，都采用流化床反应器，但是和湍动流化床相比，该项目开发的变径快速流化床反应器的直径减少了三分之一，反应时空收率却提升了2倍，真正体现了高效的技术特点。
同类技术采用的是前脱丙烷分离工艺，该项目则首创了高效MTO烯烃分离新工艺，设计开发了前脱乙烷、C4烃回收乙烯、含氧化合物脱除等关键技术和分离工艺，使得吸附剂的消耗大幅降低，分离能耗降低，产品回收率高达99.98%（同类技术回收率99.7%）。别小看了这提升的0.28个百分点，一年就可以多产生上千万元的利润。
杨为民院长指出，为了大力发展绿色清洁、环境友好的新技术和新产品，科学家们一直在不断进行生产技术的升级、节能低碳新技术的开发。投入大量资金进行催化剂生产装置环保模块的建设，就是为了将有毒有害的物质全部回收，真正做到零排放。
2011年10月，中原石化采用自主S-MTO成套技术建成甲醇进料60万吨/年的工业示范装置，至今已经稳定运行6年以上，经济效益显著。
2016年10月，世界最大甲醇制烯烃工厂——中天合创360万吨/年装置在内蒙古鄂尔多斯建成并投产，这标志着MTO这批技术领先、环境友好的具有自主知识产权的新型煤化工成套技术已经成功产业化。
杨为民说，企业科研院所在实施创新驱动战略中应当发挥两个层面的作用。一是针对当前，要为企业做好技术支撑。科研单位要为企业提质增效、节能减排、绿色发展、产品升级提供技术支撑，帮助企业突破实际生产中制约发展的技术难题，实现对传统产业的技术升级改造，使传统产业形成新的增长点。
二是面向未来，做好技术“引领”。科研单位要发挥科研基础雄厚、创新资源集中的优势，同时，加强前沿技术和基础研究，把握未来关键技术的发展方向，为培育战略新技术、新产业提供“引领”技术支持，实现从“跟跑者”向“并行者”“领跑者”的转变。
