文/龐貝 李慧
高油價時代的選擇:煤制乙二醇
——訪中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所副所長姚元根研究員
文/龐貝 李慧
姚元根研究員向與會領(lǐng)導(dǎo)和專家介紹煤制乙二醇的工業(yè)技術(shù)
隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展,各國對石油的需求依然強勁,原油價格在較長時期內(nèi)仍將維持高位運行。鑒于我國“富煤缺油少氣”的能源資源結(jié)構(gòu),新型煤化工技術(shù)前景廣闊。同時,國內(nèi)長期存在對乙二醇的需求缺口,煤制乙二醇等新型煤化工技術(shù)既能保障國家的能源安全,又充分利用了我國的煤炭資源,是未來煤化工產(chǎn)業(yè)最現(xiàn)實的選擇。
姚元根,中國科學(xué)院煤制乙二醇及相關(guān)技術(shù)重點實驗室主任兼福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所煤制乙二醇攻關(guān)組組長,從2005年起,專注于煤制乙二醇技術(shù)的研發(fā)和工業(yè)化生產(chǎn),為推動我國煤制乙二醇技術(shù)的進步費盡心力。
2009年5月7日,中科院“世界首創(chuàng)萬噸級煤制乙二醇工業(yè)化示范”新聞發(fā)布會在北京人民大會堂隆重舉行,時任中國科學(xué)院院長的路甬祥興奮地表示:“該技術(shù)的工業(yè)化將會大大緩解我國乙二醇的對外進口依存度,也將對國家的能源和化工產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重要且積極的影響?!边@或許最能解釋中科院福建物構(gòu)所煤制乙二醇技術(shù)攻關(guān)組人員的情感維系之所在。
中科院物構(gòu)所和姚元根為什么會選擇煤制乙二醇技術(shù)來作為自己攻堅的對象?
這一抉擇首先是由我國對于乙二醇的迫切需求決定的。
乙二醇是國家重要的化工原料和戰(zhàn)略物資,用于制造聚酯(可進一步生產(chǎn)滌綸、PET瓶子、薄膜)、炸藥、乙二醛,并可作為防凍劑、增塑劑、水力流體和溶劑等,國際上主要采用石油路線制備。
目前,我國的乙二醇由中石油、中石化、中海油三大公司生產(chǎn),產(chǎn)能只有200萬噸/年左右。資料顯示,2006年,我國乙二醇的消費量為564萬噸,2007年為668萬噸,2008年增長至714萬噸。但同時期乙二醇的產(chǎn)量沒有太大的增長,2006年為158萬噸,2007年188萬噸,2008年195萬噸,占全球乙二醇產(chǎn)量的不足10%。乙二醇生產(chǎn)已遠遠不能滿足國內(nèi)聚酯產(chǎn)業(yè)的需求,僅2008年我國乙二醇進口就已超過了500萬噸。
據(jù)姚元根介紹,一方面因為以煤代替石油乙烯生產(chǎn)乙二醇適合中國富煤缺油的能源結(jié)構(gòu);另一方面,這個項目也將有力提升我國乙二醇的自給能力?;谝陨蟽煞N考慮,姚元根做出了自己的路線抉擇——攻堅煤制乙二醇技術(shù)。
姚元根與他的同事們創(chuàng)立的煤制乙二醇技術(shù)遵循這樣一條技術(shù)路線:以煤制成合成氣,再以合成氣中的一氧化碳(CO)和氫氣(H2)為原料制取乙二醇。這也是當今世界普遍關(guān)注的一項技術(shù)。姚元根說,國外技術(shù)未能實現(xiàn)工業(yè)化的原因,在于尚未完善核心催化劑的關(guān)鍵制備技術(shù)和相應(yīng)的催化反應(yīng)工藝技術(shù),以及關(guān)鍵工藝單元的技術(shù)集成?!拔覀兂晒崿F(xiàn)了工業(yè)化的煤制乙二醇自主技術(shù),具有成本低、能耗低、水耗低、排放低等特點,十分適合我國缺油、少氣、煤炭資源相對豐富的資源國情?!?/p>
發(fā)展有中國特色的社會主義,就是要符合現(xiàn)階段我國的基本國情。那么,我國在能源的現(xiàn)狀和基本國情是什么?
根據(jù)國際能源機構(gòu)2010年7月最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,中國已經(jīng)超過美國成為世界第一大能源消費國。相應(yīng)的,我國石油對外依存度也不斷飆升,從1993年的6%,陡增至2007年的46.6%,2008年則突破了49%,2009年我國石油對外依存度首次明確超過50%,突破了工業(yè)國家公認的“能源安全預(yù)警線”,能源安全風險加劇。中國地質(zhì)科學(xué)院報告估算,到2020年我國將進口石油5億噸左右,進口依存度將達到70%左右。無疑,石油供給已成為中國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸和能源安全的核心。
在我國的自然資源中,基本特點是富煤、缺油、少氣,這就決定了煤炭在一次能源中的重要地位。與石油和天然氣比較而言,我國煤炭的儲量相對比較豐富,建國以來,煤炭在一次性能源生產(chǎn)和消費中的比例長期占70%以上。專家預(yù)測,在本世紀前30年內(nèi),煤炭在我國一次性能源構(gòu)成方面仍占主體地位。
據(jù)測算,用石油路線每生產(chǎn)1噸乙二醇約耗原油2.5噸。目前全世界用乙烯生產(chǎn)的2000多萬噸乙二醇,若都以煤為原料進行生產(chǎn),那么,節(jié)省下來的石油相當于新開發(fā)一個年產(chǎn)5000萬噸原油的大慶油田。據(jù)專家預(yù)測,未來油價仍將呈現(xiàn)上漲趨勢,在這種情況下,煤制乙二醇的發(fā)展就更顯得正當其時。其次,與煤制油、煤制天然氣相比,煤制乙二醇不僅具有更高的附加值,而且在合成氣利用方面的原子經(jīng)濟性更高,經(jīng)濟效益更好。
此外,在環(huán)保方面,由于采用潔凈煤技術(shù),煤制乙二醇不存在高度污染的問題。其顯著特點還在于全部采用工業(yè)CO、NO、H2、O2和醇類為原料,在生產(chǎn)過程中不會產(chǎn)生二氧化硫和二氧化氮,而這兩種氣體是造成污染的“罪魁禍首”。煤制乙二醇完全符合循環(huán)經(jīng)濟三原則,即“減量化、再利用和再循環(huán)”,比傳統(tǒng)工藝更加綠色和環(huán)保。
“如果我們的煤制乙二醇工業(yè)化推廣能夠成功,將對我國能源安全和聚酯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重要、積極的影響?!币υ缡钦f。
煤制乙二醇,即以煤代替石油乙烯生產(chǎn)乙二醇,是國家“八五”、“九五”重點科技攻關(guān)項目。
自從1965年美國人Fenton首次提出醇類氧化羰化制備草酸酯后,各國都在研發(fā)以合成氣為原料制備乙二醇的工藝,也就是煤制乙二醇技術(shù)。1978年日本宇部興產(chǎn)公司建成了一套6000噸/年草酸二丁酯的高壓液相試驗裝置,其后又與美國UCC合作開發(fā)了常壓氣相合成草酸酯工藝,完成了中試和模試,但沒有實現(xiàn)工業(yè)化。國內(nèi)一些研究機構(gòu)也開展了這方面的研究,但都處于實驗室技術(shù)和中試階段,尚未見工業(yè)化試驗成功的報道。
上世紀80年代初,中科院福建物構(gòu)所加入了這一科研攻關(guān)行列。
隨著時間推移,項目科研隊伍出現(xiàn)了青黃不接:許多有經(jīng)驗的老研究人員退休,年輕骨干大多數(shù)轉(zhuǎn)入其他研究領(lǐng)域。這個傾注了科研人員極大心血的項目出路何在?
2005年,中科院物構(gòu)所所長洪茂椿院士決定重組煤制乙二醇項目攻關(guān)組,由時任副所長的姚元根領(lǐng)銜,進行重點攻關(guān)?!安还苓@個項目經(jīng)歷了多少波折,但它契合國家戰(zhàn)略需求的大方向是沒錯的,特別是在我國乙二醇缺口日益擴大,國際石油價格持續(xù)大漲的情形下,更顯示出這個項目的重大價值,所以我們堅持做了下去?!?/p>
重任在肩的姚元根帶領(lǐng)攻關(guān)組的同仁們,在總結(jié)梳理以往科研成果的基礎(chǔ)上,針對存在的各種技術(shù)問題,再次啟動了該項技術(shù)的研發(fā),并得到了科技部、中科院、福建省和技術(shù)合作方的大力支持。他們重點攻克了脫氫催化劑的選擇性和飛溫的危險性、合成催化劑的效率提高和成本降低、加氫催化劑的選擇性和壽命、乙二醇產(chǎn)品能否達到聚酯級乙二醇標準等幾個關(guān)鍵技術(shù)問題。
姚元根研究員
隨著技術(shù)的成熟,煤制乙二醇的產(chǎn)業(yè)化大幕徐徐拉開。
2005年6月,物構(gòu)所開始與上海金煤化工新技術(shù)有限公司合作,上海金煤共投資1.8億元,相繼建成年產(chǎn)100噸中試和1萬噸工業(yè)化試驗兩套裝置。
2007年夏天,內(nèi)蒙古科爾沁草原腹地,中國國內(nèi)生產(chǎn)能力最大的120萬噸煤制乙二醇生產(chǎn)基地落地西遼河畔。
2009年3月18日,在該成套技術(shù)的實施地江蘇省丹陽,中國科學(xué)院召開了“萬噸級CO氣相催化合成草酸酯和草酸酯催化加氫合成乙二醇成套工藝技術(shù)”(簡稱“煤制乙二醇”)成果鑒定會,鑒定委員會專家一致認為,該項成果標志著我國在世界上率先實現(xiàn)了全套煤制乙二醇技術(shù)路線和工業(yè)化應(yīng)用,具備了進一步建設(shè)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)裝置的條件,是一項擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的世界首創(chuàng)技術(shù)。
2009年12月上旬,備受業(yè)界矚目的全球首套工業(yè)化示范裝置——內(nèi)蒙古通遼金煤化工公司“煤制乙二醇項目”一期工程、年產(chǎn)20萬噸煤制乙二醇項目順利打通全線工藝流程,生產(chǎn)出合格乙二醇產(chǎn)品。
2011年7月,由姚元根研究員任首席科學(xué)家的國家科技支撐計劃項目“煤制乙二醇的工業(yè)技術(shù)”順利通過專家驗收,專家組認為該項目是產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的典范,為我國煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出了積極的貢獻。
這項歷經(jīng)20多年研發(fā)的技術(shù)終獲成功,對我國能源化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的戰(zhàn)略意義,并標志著我國采用自主技術(shù)在世界范圍內(nèi)率先開創(chuàng)了工業(yè)化煤制乙二醇的先河。
姚元根介紹說,通遼金煤化工煤制乙二醇工業(yè)技術(shù)主要包括七個工藝單元:第一是氨與空氣在氨氧化爐內(nèi)高溫氧化得到氨氧化物;第二是氨氧化物與甲醇、氧氣氧化酯化生成亞硝酸甲酯;第三是工業(yè)一氧化碳原料氣體的催化脫氫凈化;第四是亞硝酸甲酯與一氧化碳氧化偶聯(lián)生成草酸二甲酯;第五是草酸二甲酯催化加氫生成乙二醇;第六是乙二醇混合物的精餾;第七是尾氣循環(huán)使用和消除污染排放。其技術(shù)的獨到之處有兩方面:一是全部采用工業(yè)原料,切實解決了工業(yè)化應(yīng)用問題;二是該技術(shù)是一項覆蓋了脫氫、合成、加氫三種催化劑技術(shù)的系統(tǒng)技術(shù)。
姚元根出生于蘇南水鄉(xiāng)一個普通的農(nóng)民家庭,因為家庭貧困,少年時期遍嘗生活與求學(xué)的艱難。
“家長是孩子最好的老師”,姚元根自小就勤奮好學(xué),聰明懂事,而母親給了他最好的人生一課。母親的言傳身教,以及母親身上那種吃苦耐勞、熱愛生活的品質(zhì),造就了姚元根勤奮向上、堅忍不拔、樂觀自信的精神。靠著這種精神,姚元根終于學(xué)有所長。
1982年,姚元根畢業(yè)于廈門大學(xué)化學(xué)系,后于1988年獲南京大學(xué)化學(xué)系博士學(xué)位。1991年,姚元根到英國Newcastle 大學(xué)化學(xué)系做訪問學(xué)者。一年之后,到日本岡山理科大學(xué)化學(xué)系日本國立分子科學(xué)研究所做博士后研究。幾經(jīng)輾轉(zhuǎn),終于在1993年回國,到中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所工作。
學(xué)成歸國的姚元根在研究上也并非一帆風順,然而憑著堅毅樂觀的性格,他總能找到突破口。他初回國時,研究方向是鉬硫金屬簇合物,雖然勤耕苦作,但收效甚微。面對挫折,他不焦躁、不氣餒,終于找到了新的解決思路,并指導(dǎo)自己的研究生成功地解決了合成中存在的關(guān)鍵問題。
姚元根身兼數(shù)任,在擔任福建物構(gòu)所副所長期間,分管科研和支持系統(tǒng)工作,自己還帶領(lǐng)著一個十幾人的課題組,同時擔任農(nóng)工黨福建省委常委、農(nóng)工黨物構(gòu)所總支主任等職。白天他必須處理所里的行政事務(wù),科研工作很大一部分是放在晚上,工作到凌晨兩三點是常有的事。
姚元根說:“科學(xué)研究工作要追求創(chuàng)新,不能步人后塵。只有在前人研究的基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新,探索出新路子、新方法,這樣的研究才有生命力,不然便是死水一潭?!?/p>
或許正是由于姚元根具備這種追求卓越、“取法乎上”的境界,才使自己被煤制乙二醇這個項目選中,也才使煤制乙二醇這個項目從實驗室最終走向工業(yè)化。
從某種意義上,與其說中科院福建物構(gòu)所選擇了煤制乙二醇,選擇了姚元根,不如說是我國的國情與能源安全戰(zhàn)略選擇了他們。
有關(guān)專家評價:煤制乙二醇成套工藝技術(shù)的開發(fā)運用是科技成果、工程化技術(shù)、資本力量、資源優(yōu)勢有機結(jié)合和共贏發(fā)展的過程,開創(chuàng)了我國技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的新模式。該技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的成功將有效緩解我國乙二醇產(chǎn)品供需矛盾,對國家能源和化工產(chǎn)業(yè)將產(chǎn)生積極影響,具有重要的科學(xué)價值、突出的技術(shù)創(chuàng)新性和顯著的社會經(jīng)濟效益。
路甬祥在談及乙二醇項目的合作模式時強調(diào):在學(xué)習(xí)實踐科學(xué)發(fā)展觀、建設(shè)創(chuàng)新型國家的進程中,中科院物構(gòu)所實施創(chuàng)新工程,構(gòu)建了知識創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和工程產(chǎn)業(yè)化的“金三角”。
2010年初,以姚元根為代表的福建物構(gòu)所煤制乙二醇研究集體被中科院授予“2009年度杰出科技成就獎”;2010年1月20日,500多位兩院院士的投票結(jié)果揭曉,煤制乙二醇項目被評為“2009年度中國十大科技進展之一”。