2022年5月14日，大連是個晴天。中科院大連化學(xué)物理研究所研究員丁云杰早早便來到辦公室，同一團隊的研究員朱何俊也早已在會議室等候。

這天對他們來說是個重要的日子，中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的科技成果鑒定會將在下午舉辦。受疫情影響，鑒定會采用線上會議模式，但這絲毫沒有影響研究團隊的熱情，他們將帶著“炭載鈷基漿態(tài)床合成氣制油技術(shù)”接受成果鑒定。

當(dāng)鑒定委員會表示鑒定“通過”后，丁云杰松了一口氣。鑒定委員會評價該技術(shù)創(chuàng)新性強，整體技術(shù)達到國際先進水平。

“我很開心，20多年心血沒有白費。”回憶起當(dāng)時的情景，丁云杰告訴《中國科學(xué)報》。

一項創(chuàng)新性研究

我國經(jīng)濟的高速發(fā)展離不開豐富的自然資源。一直以來中國資源的基本特點為“富煤、貧油、少氣”，經(jīng)濟的迅速發(fā)展使得我國石油的對外依存度持續(xù)增長，這是持久發(fā)展的一個難題。

煤炭是我國主體能源，以其為基礎(chǔ)產(chǎn)生的煤制清潔燃料和化學(xué)品對于實現(xiàn)石油化工原料替代、油品清潔化和煤炭清潔高效利用，以及保障國家能源安全具有戰(zhàn)略意義。這讓丁云杰和朱何俊團隊找到了研究方向，如果能發(fā)展煤制油技術(shù)，將在一定程度上緩解我國石油供應(yīng)不足的現(xiàn)狀。

“我們最早開始做這項炭載鈷基催化劑的研究應(yīng)該是1999年。”丁云杰說，當(dāng)時他剛從美國完成博士后研究歸來，便立即投入到了煤制油技術(shù)工藝的研究中。朱何俊的加入使得團隊進一步壯大，這項技術(shù)也開始發(fā)展。

目前，世界上主要由鐵基、鈷基兩種催化劑工藝生產(chǎn)煤基合成油。鐵基催化劑密度大、催化效率較低，反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳選擇性較高，大量的二氧化碳循環(huán)會導(dǎo)致巨大能耗。而傳統(tǒng)費托合成鈷基催化劑價格昂貴，液體產(chǎn)品選擇性較差，制約了其工業(yè)應(yīng)用。如何才能研制出具有優(yōu)異性能的鈷基催化劑?

在夜以繼日的努力下，研究團隊研制出了炭載鈷基催化劑。它具有較高的活性、較低的甲烷選擇性、極低的二氧化碳選擇性、良好的穩(wěn)定性，運行不產(chǎn)生廢催化劑，與傳統(tǒng)的鐵基催化劑相比，可以降低運行能耗、省去脫碳單元，實現(xiàn)低固廢甚至無固廢的綠色環(huán)保目標。

在實驗室階段，研究人員對催化劑體系、穩(wěn)定性以及長時期運轉(zhuǎn)等進行了研究。“我覺得我們的研究正在步入正軌。”朱何俊說。

“幾個晚上都沒睡著覺”

然而，研究團隊不僅僅滿足于基礎(chǔ)研究。“我們更想把它用在工業(yè)生產(chǎn)方面，這樣才能使這項技術(shù)發(fā)揮更大的作用。”朱何俊說。

從實驗室到生產(chǎn)車間，要想將該項技術(shù)投入生產(chǎn)中，就免不了要進行放大研究。要將催化劑從實驗室規(guī)模放大至1000倍才能真正投入到工業(yè)示范研究中，還要保障催化劑的活性和穩(wěn)定性，這給研究團隊帶來了不小的難題。

首先是炭載體的處理。工程上要采用放大轉(zhuǎn)爐裝置才能高效處理碳載體，然而作為一項原創(chuàng)性技術(shù)，國內(nèi)并沒有成熟的工程可供參考，國際上也沒有相關(guān)經(jīng)驗可供團隊借鑒。于是，團隊自己研發(fā)了一套轉(zhuǎn)爐裝置，在高溫氫氣微正壓下實現(xiàn)平穩(wěn)運行。

此外，整個工藝都是在高溫的環(huán)境下進行的，生產(chǎn)過程中的氫氣是一種易燃易爆的氣體，危險性較高，生產(chǎn)條件十分苛刻。

“而且干燥催化劑很容易自燃，尤其是在長途運輸過程中。催化劑的成分是碳粉和硝酸鹽，這是“炸藥”的主要成分之一。”丁云杰說，“我好幾天都沒睡著覺，擔(dān)心會不會發(fā)生什么危險。最后只好采用半干基催化劑方式運輸。”

保障安全“刻不容緩”，團隊開始積極尋找破解之法。他們通過在制備方法上進行工藝改造，使得整體制備條件更適合實際的生產(chǎn)應(yīng)用。運輸過程中催化劑暴露在干燥環(huán)境下，爆炸概率會提高，于是團隊想到了使用半干半潮催化劑的運輸機制，這大大降低了危險概率。

“我們邁出了工業(yè)化的第一步。”朱何俊說。

2015年，實驗流程打通，鈷基費托合成煤制油技術(shù)投入到實際的流態(tài)化生產(chǎn)中，但是在生產(chǎn)現(xiàn)場，設(shè)備卻怎么也達不到生產(chǎn)要求，出現(xiàn)了“水土不服”的現(xiàn)象。

“我們最初找不到問題根源，那個時候很頭疼。”朱何俊告訴《中國科學(xué)報》。

團隊決定暫停生產(chǎn)，研究人員進入催化劑焙燒和還原活化反應(yīng)器里面，在高溫下實地探查問題來源。通過對運行過后的設(shè)備狀態(tài)進行分析，研究團隊終于查找到問題，并提出解決方案。經(jīng)過6個月的設(shè)備改造，催化劑生產(chǎn)開始走向正常化流程。

隨后在2016年到2020年的4年里，研究團隊又進行了多次內(nèi)部過濾器改造。

“我們總共在6個單元做了22項改造。”煤制油裝置的合作單位——陜西延長石油榆林煤化有限公司工程部經(jīng)理張馬寧介紹。

幾年內(nèi)，該設(shè)備由2016年的40%負荷生產(chǎn)，到2018年達到80%，最終在2020年實現(xiàn)100%負荷運營，完成了工業(yè)化的指標。

裝置的滿負荷成功運行，為我國煤炭高效轉(zhuǎn)化制清潔燃料和高值化學(xué)品提供了原創(chuàng)技術(shù)和解決方案，標志著我國在煤炭資源綜合潔凈利用領(lǐng)域上了一個新臺階。

向提高技術(shù)經(jīng)濟性進發(fā)

“經(jīng)過了總共20多年的研究，以及8年工業(yè)示范現(xiàn)場的磨練，努力終于有了收獲。”相關(guān)技術(shù)成功通過科技成果鑒定后，朱何俊說。

這是由中科院大連化學(xué)物理研究所、陜西延長石油榆林煤化有限公司、北京石油化工工程有限公司共同開發(fā)建設(shè)的新一代煤制油裝置，是全球首套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的炭載鈷基漿態(tài)床合成氣制油工業(yè)示范裝置，現(xiàn)已實現(xiàn)達產(chǎn)達效。其成功運行將為后續(xù)大型商業(yè)化裝置的建設(shè)提供堅實的技術(shù)支撐。

“我們整個團隊合作起來是順利的，丁老師和朱老師都很認真負責(zé)，經(jīng)常在現(xiàn)場沒日沒夜地工作，遇到問題當(dāng)場就會給出意見，通過鑒定也是我們團隊合作的勝利。”張馬寧對于設(shè)備的成功運行十分開心，“并且鈷基催化劑費托合成中是不產(chǎn)生二氧化碳的，這可以大大降低能耗，實現(xiàn)綠色生產(chǎn)目標”。

“不過會上專家也給了我們一些啟發(fā)。”朱何俊告訴《中國科學(xué)報》，“比如專家提到有的公司進口的高熔點蠟，市場價每噸高達3.6萬元左右，目前該裝置生產(chǎn)的高熔點蠟的組成、性能指標與進口蠟相差無幾，每噸售價也只有6000到7000元，產(chǎn)品附加值不足。這啟發(fā)我們要進一步注重提高技術(shù)經(jīng)濟性。”

丁云杰也表示：“現(xiàn)在的裝置規(guī)模效應(yīng)較小，會導(dǎo)致經(jīng)濟效益不佳的問題。”

在后續(xù)的研究中，團隊會盡量降低物耗能耗，加快費托合成產(chǎn)品的高附加值綜合利用技術(shù)研究，盡快推進大型商業(yè)化項目的實施。