作為一種新型的汽油添加劑和良好的潔凈燃料，低碳醇的高效、清潔合成一直是化工科學家追尋的目標。然而，傳統合成方法中，高溫、高壓的苛刻合成反應條件或使用貴金屬催化劑的高成本工藝導致其規模化生產面臨相當大的挑戰。

最近，在中科院“低階煤清潔高效梯級利用關鍵技術與示范”先導專項和科技部“863”課題的支持下，中科院山西煤炭化學研究所與中國神華煤制油化工有限公司合作完成了千噸級煤基合成氣制低碳醇工業側線試驗。

在科學家們看來，這一進展開辟了低碳醇多聯產工藝合成的全新途徑，也成為產研成功合作的典范。

以“高產”和“溫和”取勝

10月22日，位于神華集團包頭煤化工公司的一套工業側線裝置已連續運轉1000多個小時。事實上，大約在一個月前，身在試驗現場的中科院山西煤化所研究員房克功從現場采集的數據中得知，試驗結果有望優于預期。好消息通過“團隊日報”發到了在外地出差的神華包頭煤化工公司總工程師姜興劍那里。姜興劍告訴《中國科學報》記者，整個團隊都為此感到很興奮。

抱著嚴謹務實的科學態度，試驗團隊仍然按計劃讓裝置繼續運行1000小時以上，圓滿完成了工藝過程高負荷穩定性運轉考核驗證。

煤基合成氣是以煤為原料制取的氣體，主要成分是氫氣和一氧化碳。低碳醇則由氫氣和一氧化碳在特定條件下合成，催化劑表面原料氣的轉化率和選擇性決定了目標產物低碳醇的產率。

房克功告訴《中國科學報》記者，傳統合成方法的反應溫度及壓力一般在280攝氏度和8兆帕以上，反應條件苛刻并且催化劑價格較高，高成本、低產量的工藝技術使其過程經濟性不高，一直制約著低碳醇合成的規模化工業應用。

而此次試驗結果顯示，這套工藝在相對溫和的反應條件下，使一氧化碳轉化率達到85%以上，日產15噸低碳醇，并進一步分離得到多種產品。“反應溫度為230到260攝氏度，壓力為6.0兆帕，工藝條件趨于溫和化，低碳醇產量更高。”房克功說。

科學家與工程師的兩大“利器”

此次低碳醇合成的新技術使用了山西煤化所和神華集團的兩大“利器”：一是催化劑，二是分離技術。

新技術使用的催化劑為山西煤化所自主研發的銅基催化劑，價格廉價，具有活性好、機械強度高、無環境污染、制造成本低、重復性好等優點，其成本和工藝接近合成甲醇催化劑。

該試驗于2014年打通工藝流程后，對關鍵工藝過程進行了優化。“特別是在試驗運轉初期，氫氣與一氧化碳在催化劑表面的劇烈反應會放出大量熱量，我們發現在這一階段催化劑床層容易出現難以移除的‘熱點’，帶來了巨大的安全隱患。”房克功說。

全程參與該試驗的姜興劍告訴《中國科學報》記者，在問題面前，科學家們勇敢面對，沒有絲毫猶豫地投入了解決問題的工作中。“我們對科學家們百折不撓、上下求索的科學精神非常佩服。”

科研人員終于找到解決方案，即通過改變催化劑填裝方式，優化開車運行方案，平穩避開了反應初期的風險。

在分離步驟中，則采用神華集團主導開發的“9塔1器”的流程，即九個精餾塔外加一個膜分離組，實施以精餾——萃取——膜分離相結合方法，成功獲得高純度的甲醇、乙醇、丙醇及丁醇等化工產品。

開放的“產研”合作姿態

近年來，山西煤化所圍繞煤炭清潔高效利用開展了扎實的基礎研究，也在院地合作上收獲頗豐。煤制乙醇、低碳醇技術的研發便是典型案例。

房克功回憶，起初，合成氣制低碳醇技術在實驗室取得成功后，研究人員認為，科技創新只有用在實際生產中，才能發揮更大價值。因此，他們開始主動走出去，尋求合作企業，最終與河南煤業集團和山西潞安礦業集團結緣。在取得初步成果后，荷蘭皇家殼牌石油公司拋出了橄欖枝。

2011年前后，中國神華煤制油化工有限公司主動找上門洽談該技術后續全方位的合作開發事宜，得到了前期合作伙伴的一致贊同。

對此，山西煤化所創造性地提出了一套多邊合作機制，解決了產權分配等問題。“所里負責知識產權的部門給予了極大的支持，讓我們始終有開放的姿態。”房克功表示。

幾年來，姜興劍深刻地感受到新技術為企業帶來的好處。“科學家們在前沿技術的開發上具有企業不可比擬的實力，這些技術能夠讓企業獲得更大的效益。”

未來，雙方期待開展更大規模的低碳醇合成工業試驗，讓實驗室技術早日走上生產線。