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合成气制低碳醇技术
2016-04-22
合成气制低碳醇技术是非石油路线合成液体燃料、油品添加剂及大宗化学品的重要方向。该技术总体工艺流程是合成气在多相催化剂的作用下合成以C1-C5为主的低碳混合醇，过程具有生产成本低廉、原子经济性和操作可行性强等特点。我国“煤多油少”的资源结构禀赋以及近年来原油供应日趋紧张和甲醇替代燃料市场持续低迷的现状，决定了煤基合成气制低碳醇工艺在降低石油依赖程度、天然气高效转化及洁净利用煤炭资源等方面存在较高的产业化应用前景。中国科学院山西煤炭化学研究所历经二十余年，在合成气制低碳醇技术研究方面取得一系列重要进展，并与中国神华集团合作，建成千吨级合成气制低碳醇工业侧线装置，实现合成气的低碳高效转化，为提高我国能源利用的安全水平及抗风险能力开辟了一条新路。
一、项目进展情况
“合成气制低碳醇技术”项目最初得到国家自然科学基金委青年基金的支持，启动了探索性研究工作。此后在国家杰出青年基金的支持下，详细探讨了合成气选控合成低碳混合醇的多相催化科学基础，在催化剂表面构建碳链增长和CO插入协同反应的活性位，并通过引入结构和电子型助剂，探索CO活化、C-C链增长及C-O插入成醇的反应中间体调控与转归作用机理。近十年项目又得到了国家自然科学基金重大项目、国家973计划项目、863计划项目及中科院煤先导专项的连续支持，在以中国神华集团和中国科学院山西煤炭化学研究所为主的合作各方不断攻关下，研究工作逐步由理论基础研究的引导，发展至合成气制低碳醇工业侧线技术的工程化、近工业化应用研究。
经过项目团队的共同努力，千吨级合成气制低碳醇工业侧线试验装置于2013年6月在包头市九原化工园区开始破土动工，2014年4月正式完成全面竣工（如图1所示）。经过一年多的工艺过程优化和催化剂制备改性，项目团队在2015年10月下旬完成超过1 000小时的高负荷稳定性运转考核验证，在较低的反应压力和温度下，获得较高的醇收率和C2+醇选择性，CO转化率达85%以上，低碳醇选择性大于60%，日产15吨低碳醇，并进一步分离得到工业级C1-C3化工醇产品和C4+醇类燃料添加剂（见图2），实现了合成气的低碳高效转化。
二、主要技术特色
该项目属于洁净能源领域替代贵金属催化的煤基合成气高效转化技术，具有催化剂成本低廉、原子经济性好和可操作性强等特点。其创新特色在于：
1．技术采用非贵金属廉价催化剂，制备方法简单，重复性好；
2．反应条件温和，可方便地改造甲醇生产装置来合成高附加值低碳醇；
3．创新性地采用精馏-萃取-膜分离相结合的混合醇提纯技术。
三、应用前景分析
作为一种新型的汽油添加剂和良好的洁净燃料，低碳醇的用途目前主要体现在清洁汽油添加剂、液体燃料和代油品、化学品及化工原料等方面。
一直以来，低碳醇以其良好的性能指标被定位于清洁汽油添加剂，这已成为20世纪70年代石油危机以来的一个共识。特别是近期由于传统汽油添加剂MTBE对环境和人类健康的危害的确认和禁用，为低碳醇的开发应用提供了巨大的发展契机，导致全球范围内低碳醇研究的进一步升温。在液体燃料和代油品应用方面，醇燃料具有燃烧充分、效率高且CO、NOx及烃类排放量少等优点。其中甲醇燃料的生产技术较为成熟，但甲醇作为车用燃料存在重要缺陷：与汽油的混溶性较差，相分离严重；对金属、橡胶、合成塑料等材料有腐蚀；与现行的燃料系统不相匹配。而低碳醇则不存在上述问题,随着技术进步及成本降低，醇燃料的应用优势是十分明显的。从更深层次看，低碳醇应用前景在于其作为化学产品和大宗化工生产原料的巨大价值，低碳醇经分离可得到乙、丙、丁、戊醇等经济价值较高的醇类。此外，低碳醇的应用还包括：作为煤液化的手段之一,实现煤的烷基化和可溶化及有效运输；作为液化石油气（LPG）代用品；直接作为通用化学溶剂及用于高效发电等。
该技术开辟了非石油路线以煤基合成气为原料制取含氧液体燃料、油品添加剂及高附加值醇类化学品的多元化产品途径，初步估算在年产30万吨低碳醇产品规模下，其经济性可优于目前的甲醇合成技术，可用来逐步实施替代甲醇合成技术，生产高附加值的燃料醇或化工醇，在有效解决甲醇生产过剩，规避甲醇市场风险及生产可替代燃油方面具有广阔的推广应用前景。该技术实施工业化生产后将形成我国以煤为源头，非石油路线合成可替代化石燃料和化工醇的产业链条，创造更多的就业机会，带动相关醇类化学品二次加工等产业的发展。
专家简介
房克功，男，研究员，硕士生导师，项目组组长，2004年在中国科学院山西煤炭化学研究所获得理学博士学位，毕业后留所工作。主要从事C1化学与工程、合成气转化、油品加氢精制和多相催化氧化等领域的研究。先后承担国家973计划课题、国家863计划课题、国家自然科学基金项目、山西省自然科学基金项目、中科院煤化所创新项目、中科院煤先导课题、荷兰壳牌石油公司、中国神华集团、河南煤业集团及山西潞安矿业集团等项目十余项。2005年至今，培养及正在培养硕士生6名，指导博士生10名，先后以第一作者或通讯作者发表SCI论文50余篇，获得国家发明专利“合成低碳混合醇的铜基催化剂及制法和应用（专利号：ZL201210342260.8）”“一种制取低碳醇的铜基催化剂及其制法和应用（专利号：ZL201210342290.9）”“一种合成低碳醇的铜铁核壳催化剂及制备方法和应用（专利号：ZL201310095284.2）”等12项。2007年获得侯祥麟石油加工科学技术奖。
