包信和怎么样 高端访谈丨中科院院士包信和:未来一定像炼制石油一样加工煤炭

原标题:高端访谈丨中科院院士包信和:未来一定像炼制石油一样加工煤炭

北极星火力发电网讯:2016年3月4日,美国《科学》杂志一篇题为《合成气向低碳烯烃的选择性转化》的论文,引起全世界化学界、能源界以及相关工业界的极大关注。这篇论文介绍了由大连化物所包信和院士和潘秀莲研究员带领的团队开发的合成气高选择性一步反应生产低碳烯烃的重大科研成果。

该成果颠覆了90多年来煤化工一直沿袭的费托路线,破解了传统催化反应中活性与选择性难以兼顾的“跷跷板”难题,可使煤化工水耗和能耗大幅降低,因此被业界誉为煤转化领域“里程碑式的重大突破”。

那么,这一成果的核心内容是什么?与传统费托工艺相比有何不同?距离工业化应用还有多远?实现工业化应用后,将对能源化工尤其煤化工行业产生怎样的影响?带着这些业界十分关心的问题,记者亲赴复旦大学,对包信和院士进行了专访。

记者:首先祝贺您的团队成功开发了合成气一步反应制取低碳烯烃这一令全球震撼的崭新技术!请您详细介绍一下该技术好吗?

包信和:合成气一步反应制取低碳烯烃(以下简称合成气制烯烃),是我的团队历经近10年艰苦探索开发的一项科技成果。其实质是,借助我们开发的双功能复合型催化剂(部分还原的金属氧化物与多孔分子筛复合而成),在温度350~410摄氏度、压力2.

5兆帕、氢气/一氧化碳比例0.5~1.5的条件下,纯合成气(一氧化碳加氢气)一步反应直接生产低碳烯烃。当一氧化碳转化率17%时,碳二至碳四等低碳烃类产物的选择性达到94%。其中,乙烯、丙烯和丁烯等低碳烯烃的选择性大于80%。整个过程大体由3步构成:

第一步,煤气化得到的合成气经纯化后在设定温度和压力条件下,与双功能复合催化剂接触,其中的一氧化碳分子在部分还原的复合氧化物的氧缺陷位被吸咐并解离为碳原子和氧原子。

第二步,气相氢分子选择性地与解离得到的碳原子反应,生成亚甲基自由基;与此同时,一氧化碳解离得到的氧原子与另一个一氧化碳分子反应生成二氧化碳,从系统中排出。

第三步,亚甲基自由基迅速离开催化剂表面,进入双功能复合催化剂的多孔分子筛孔道内,在孔道限域环境中进行择形偶联反应,定向生成低碳烯烃。

记者:与煤经甲醇制低碳烯烃技术相比,合成气制烯烃有哪些优势和不同?

包信和:煤间接/直接液化、煤制天然气、煤制乙二醇、煤制合成氨、煤经甲醇制低碳烯烃、煤经甲醇制芳烃等,均属费托合成工艺范畴。费托合成工艺由德国科学家费舍尔和托普希于1923年共同发明。其主要过程是:由煤、天然气或生物质制得的合成气,经复杂的反应、分离、脱水后,生产合成氨、甲醇、油品及其他碳氢化合物。

以煤经甲醇制低碳烯烃为例,费托法大体要经历如下步骤:煤气化生成粗水煤气、粗水煤气经洗涤和变换(部分一氧化碳与水蒸汽发生氧化还原反应调节氢碳比)制得的一定氢碳比例的合成气经催化反应生成甲醇,甲醇脱水后制得烃类混合物、再经分离提纯得到低碳烯烃。

这一过程采用一氧化碳换出水中的氢分子,放出二氧化碳,反应中氢分子又与氧反应生成水。

与费托法相比,合成气制烯烃主要有以下七大特点:

一是反应步骤减少,省去了一氧化碳与水蒸气氧化还原制氢气(变换)、一氧化碳与氢气反应制甲醇、甲醇脱水制烯烃3个反应过程,而是将气化得到的合成气不经变换,直接一步反应生成烯烃;

二是开发了独特的双功能复合催化剂。此前,业界普遍认为,氧化物做催化剂,只能在高温条件下反应,而此时若无分子筛配合,一氧化碳和氢气会大部分生成甲烷。为解决这一难题,我们开发了氧化物加分子筛复合催化剂。这种催化剂既有活化和解离一氧化碳的功能,又能通过对分子筛孔道和酸性质的调控,实现产物分子的可控调变。

即在整个反应系统中,形成2个活性点,从而实现催化剂的活性和选择性独立可调控,打破了费托法因为只有一个活性点而受到的ASF规律限制(活性与选择性为“跷跷板”关系,高活性与高选择性只能二选一而不能兼顾,导致低碳烃的选择性极限仅为58%)。

三是目标产品选择性高、易分离提纯。

四是耗水量大幅减少。费托法中参与变换反应的水蒸汽占系统总用水量的三分之一,且工艺流程长(有变换反应、混合物分离提纯和脱水系统)、循环冷却水用量大,导致其耗水量居高不下。合成气制烯烃工艺由于没有变换反应和脱水系统,加之催化剂同时具有高选择性和高活性特点,反应生成物种类少、目标产品收率高,使循环冷却水用量相应减少,整个系统用水量较费托法减少三分之一以上。

五是废水产生量少,易处理。费托法之所以会产生大量难以处理的废水,主要因为在生产目标产品的同时,系统中的氢气与一氧化碳解离生成的氧分子反应生成水。由于这些水与许多化合物一道在系统内循环,导致最终排出的水中夹带大量酚、油、氨氮、化学需氧量等难以处理的物质。

这已经成为制约费托法煤化工发展的一大难题。但合成气制烯烃技术由于既无变换反应,又无脱水反应,整个过程不会生产并排放含有酚、油、氨氮、化学需氧量等难以处理的废水。加之工艺流程短、循环水用量少,将来既可通过空冷等措施进一步减少水耗,也可很方便地将浓循环水处理后再返回系统中利用,最终大幅度降低废水排放。

六是用氢量少。由于没有氢气与氧原子生成水的反应发生,合成气制烯烃技术氢气消耗量仅为费托技术的四分之一。

七是投资少、能耗低、项目竞争力强。由于省去了变换、脱水等系统,且产品分离提纯装置和废水处理规模缩小,与费托法相比,合成气制烯烃工艺流程明显缩短、设备和项目建设投资会减少、装置能耗氢耗低、运行费用和产品综合成本应该会降低,项目竞争力显著增强。

当然,由于该过程还没有达到经济规模,以上数据都还是从实验室小试结果估算,仅仅能做参考,实际过程会有出入。

记者:目前该技术处于什么状态?您预计何时能实现工业化应用?

包信和:合成气制烯烃技术现已完成600小时实验室稳定性试验,实现了对催化剂的稳定性、可靠性的初步验证,并申报了中国发明专利和国际《专利合作条约》(PCT)专利。根据课题组的计划,今年年底前将完成具有代表性的立管试验,以验证该技术工业化应用的可行性。在对催化剂改进完善和工艺优化后,将进行中试和工业化试验。

由于这些工作十分繁杂,且可能遇到这样那样的新问题、新挑战,因此,技术的工业化之路可能会比较漫长。但由于此前中科院大连化物所已经成功将煤经甲醇制烯烃技术实现了工业化示范应用,积累了丰富经验,加之计算机模拟技术的应用与推动,如果立管试验时未出现颠覆性问题,且后期各方配合密切、所需资源与政策配套到位,最乐观的情况下5年后有望实现工业化应用。

目前,大化所已经与国内重要化工企业和国外著名化学公司达成初步协议,着手在催化剂制备和工艺过程开发等方面合作,力争尽快实现工业示范和产业化,使这一原创性成果转变为真正的生产力。

记者:一旦该技术实现工业化应用,将会对煤化工行业产生怎样的影响?

包信和:该技术创造性地将氧化物催化剂与分子筛复合,实现了一氧化碳活化和中间体偶联等两种催化活性中心的有效分离,把传统费托技术上“漫无目的、无拘无束”生长的“自由基”控制在一个“笼子”(分子筛)里,并通过限制其行为,使其最终变成所需的目标产物(低碳烯烃),破解了传统催化反应中活性与选择性无法兼顾的难题,为高效催化剂和催化反应过程的设计提供了指南和新思路。

因此,一旦实现工业化应用,可能会对煤化工的格局产生影响,并可以带动天然气化工、生物质化工技术变革,改变当今石油化工一支独大的格局。

对中国煤化工产业来说,还有一个更为现实的意义。合成气制烯烃技术打破了费托工艺高耗水、高排放、高耗能、低选择性的魔咒,是一种建立在全新思维下的低水耗、低能耗、低排放工艺方法。因此,一旦实现工业化应用,可以成功回答李克强总理一直关心的“能不能不用水或少用水进行煤化工”的问题,并因此坚定高层发展现代煤化工的决心和信心,开创一条符合中国资源禀赋特点、现实可行的煤炭清洁高效转化的新路径,提升煤化工项目竞争力,助推中国煤化工产业健康可持续发展。

据我们了解,国务院副总理刘延东在中科院上报的合成气一步法制烯烃专题报告上已经做了重要批示:这一研发成果是对以往煤制油工艺的颠覆。

记者:这是否意味着,一旦合成气制烯烃技术实现工业化应用,高耗能、高耗水的费托工艺将会被淘汰出局?

包信和:我认为不会,最起码短时间内不会。费托合成工艺是人类伟大的创新和发明之一。该方法自发明和应用以来的90多年时间里,在气制液技术方面发挥着极其重要的作用,也是迄今为止,唯一能将合成气直接转化为液体产品且实现了工业化应用的有效方法。

尤其经过近10年的改进和创新,以煤经甲醇制低碳烯烃为代表的费托工艺,与传统煤转化方式相比具有节能减排、产品附加值高等优势,在国际油价50美元/桶上方仍有与石油路线相竞争的实力。

因此,即便合成气制烯烃技术实现工业化应用,短期内也无法撼动费托工艺在煤化工、天然气化工和生物质化工中的主导地位,更不可能淘汰费托工艺。最大的可能是,随着合成气制烯烃技术的推广应用,投资者的技术选择范围更大,烯烃原料多元化和技术路径多样性的基础更加牢固,费托工艺的扩张速度将会明显放缓。

可以预想,待合成气制烯烃规模壮大后,乙烯工业会形成费托工艺(包括煤经甲醇制低碳烯烃工艺)、合成气制烯烃工艺、石脑油制烯烃、乙/丙烷制烯烃,以及甲烷直接制烯烃工艺同台竞争、共同发展的格局。

记者:您上面提到甲烷直接制烯烃工艺,具体是什么情况?

包信和:这是我们研发的另一项技术。现有的甲烷转化已经有100多年历史,通常采用二步法:第一步,在高温条件下,通过混合氧气、二氧化碳或水蒸气,将甲烷分子重整为含一定比例的一氧化碳和氢气分子的合成气体;第二步,用特定的催化剂将合成气转化为包括乙烯等高碳的烃分子。这一方法工艺路线长、投资和消耗高,加之采用氧分子作为甲烷活化的助剂或介质时,系统中不可避免地要形成和排放大量二氧化碳。

1988年,美国麻省理工大学首次取得甲烷氧化偶联制乙烯实验室技术的突破,并将该技术转让给美国纳米技术公司。后者经不断完善和改进,使反应温度由最初的800摄氏度降至650摄氏度,催化剂选择性也显著提高。

2015年4月,美国纳米技术公司高调宣布,其投资1500万美元建设的1吨/日的甲烷制乙烯示范装置成功投用,并计划2017年建设第一个以天然气为原料,通过氧化偶联技术同时生产乙烯、汽油等液体产品的商业规模的示范工厂。但是,从公开报道的数据看,现有催化剂的活性和选择性都不高,工业化应用的效果和经济性还有待观察和验证。

上世纪90年代中期,由中科院大连化物所研究人员提出了不用氧进行甲烷转化的“无氧活化”概念。1995年,我和我的团队开始“无氧活化”的攻坚。基于“纳米限域催化”的新概念,我的团队创造性地构建了硅化物晶格限域的单中心铁催化剂,成功开发了甲烷在无氧条件下选择活化、一步高效生产乙烯、芳烃和氢气等高附加值化学品的新路径——甲烷无氧制烯烃和芳烃技术。

2014年5月9日,该项成果在美国《科学》杂志上一经刊登,立即引起业内高度关注。美国加州大学伯克利分校教授亚力克西斯˙贝尔评价称:该成果使甲烷直接转化研究又向前迈出崭新的一步,可能成为未来产业界关注的焦点。

2015年年底,我们的甲烷无氧一步生产烯烃、芳烃和氢气技术已经完成百小时实验室试验,验证了催化剂的稳定性,并分别在中国、美国、日本、欧洲和中东等国家和地区申请了专利。

今年春节前后,我们又完成了催化剂1000小时的寿命评价试验。2016年3月22日,中科院大连化物所与中石油、沙特基础工业公司已经就甲烷无氧制烯烃、芳烃和氢气技术的中试、工艺优化和工业化示范应用签署合作备忘录,3方将共同努力,推动这一崭新技术的工业化进程。

记者:真想不到,您和您的团队默默无闻而又硕果累累。你们推出的这两项成果,都可能引发一场产业革命。不知您和您的团队下一步的设想是什么?

包信和:这也是在前人大量工作基础上取得的一点进展。今后几年,我们除了继续深入催化剂基础研究外,还将重点推动包括合成气制烯烃、甲烷无氧制烯烃、芳烃、氢气等现有技术成果的工业化应用,使我们的成果尽早实现工业化。与此同时,我们将积极开展煤温和分解生产液体产品和烃类产品的理论研究。我们的目标是未来能够像加工石油那样把煤加工成液体燃料和烯烃等高附加值产品。

记者:像加工石油一样加工煤?真的可行吗?

包信和:我们相信是可行的。煤和石油主要由碳氢元素组成,都是由碳氢物质在微生物作用下经过漫长的沉积演化形成的,特性上有很多相似之处。

人类既然能够通过常压蒸馏和催化裂解等温和方式,将大分子的石油转化为小分子的轻质油,继而进行深度加工生产烯烃、芳烃、环烷烃、酮、醇等上千种化学品,那么,与其生成过程和元素组成相近的煤炭,理论上也应该可以通过温和的方式处理加工和转化。

可惜目前无论是加氧燃烧还是加氧气化,均是采用十分激烈和野蛮的方式将煤的分子键打开,产生小分子的一氧化碳、氢气和二氧化碳,从而导致煤转化过程能耗高、水耗高,并排放大量二氧化碳和废水,引发一系列环境问题。我的团队下一个研究方向,就是开发一种特殊的催化剂,使煤不用燃烧也不用加氧气化,而是通过温和的方式打开煤的大分子结构,将其像石油那样,以温和方式直接变为油品和化学品。世上无难事,只要肯攀登。

目前我们在该领域的研究已经有一些进展,相信假以时日,这个目标会得到实现!届时,摘掉高耗能、高耗水、高排放、高污染帽子的煤转化工艺才是真正的清洁生产工艺,不仅能够与石油化工、天然气化工、生物质化工全方位对接耦合,还能在经济性、环保性、节能减排等诸多领域开展公平竞争。到那时,煤炭不再是高碳能源的代名词,而是一种十分宝贵、洁净的碳资源。这也可以说是我们的“中国梦”吧。

记者:谢谢您接受采访!祝愿合成气制烯烃技术早日实现工业化应用!期盼您的团队早日开发出煤温和转化新技术!

包信和:我们会努力的!

(包信和,1959年8月出生于江苏省扬中市,中科院院士,复旦大学常务副校长;1987年在复旦大学获得博士学位,1989年至1995年在德国马普学会弗里茨˙哈伯研究所任访问学者;1995年应聘回国,先后担任中科院大连化物所所长、中国科技大学化学物理系主任、中科院沈阳分院院长、国家重点基础研究发展规划(973)天然气、煤层气优化利用的催化基础项目首席科学家、国际天然气转化理事会理事、第四届国家重点基础研究发展规划(973)专家顾问组成员、中科院-德国马普协会纳米催化伙伴研究组中方组长、中科院-BP面向未来的清洁能源项目首席执行官等职,获得国家教委自然科学奖、德国洪堡研究基金、香港求是杰出青年学者奖、国家自然科学二等奖、辽宁省自然科学一等奖、何梁何利科技进步奖、十佳全国优秀科技工作者、中科院2015年度杰出科技成就奖和周光照基金基础科学奖等;带领团队成功开发了甲烷无氧条件选择活化一步高效生产乙烯、芳烃和氢气,合成气高选择性一步转化制烯烃等一系列引发世界化学界和工业界震动的先进技术。

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