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阿比让化学物理切磋所合成气定向转变商讨获进

该技术基于大连化物所包信和院士和潘秀莲研究员领导的团队取得的“合成气高选择性转化制低碳烯烃” OX-ZEO原创性基础研究成果 ,试验开车一次成功,实现CO单程转化率超过50%,低碳烯烃选择性优于75%,是世界上首套基于该项创新成果的工业中试装置。本次试验的成功,进一步验证了该技术路线的先进性和可行性,加快了该技术的产业化进程,将为我国进一步摆脱对原油进口的依赖,实现煤炭清洁利用提供一条全新的技术路线。

近日,中国科学院大连化学物理研究所研究员潘秀莲、中科院院士包信和带领的研究团队,在合成气定向转化研究方面取得新进展,相关结果被《德国应用化学》以“Hot Paper”形式发表。

■本报记者 丁佳

OX-ZEO在2016年首次报道后,大连化物所包信和院士和潘秀莲研究员领导的团队立即与所内刘中民院士领导的应用开发团队进行合作,优势互补、强强联合,大力推动该技术的应用研究,并积极与陕西延长石油有限责任公司合作,实现高端架构、产研融合。三年来,合作各方聚焦本领域世界科技前沿,紧扣国民经济发展的重大需求,通力合作、奋力拼搏,攻克一道道技术难关、克服一个个实际困难,成功走出了一条从实验室基础研究成果到工业化开发的创新引领、协同攻关之路,为我国科技成果的转化应用示范了一条有效新途径。

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“一开始我们也只是想在费—托催化剂的基础上,通过各种途径作些改进,包括金属、载体和助剂等。”潘秀莲告诉《中国科学报》记者,“后来,我们突发奇想:能不能走一条非常规的路线,直接转化合成气,高选择性地获得低碳烯烃?”

OX-ZEO从原理上颠覆了90多年来煤化工一直沿袭的由德国科学家于上世纪20年代发明的费托合成路线,创造性地采用复合氧化物和分子筛耦合的催化新策略,创制新型复合催化剂,实现煤经合成气直接制备转化制低碳烯烃等高值化学品的新路线。该成果摒弃了传统的高水耗和高能耗的水煤气变换制氢过程以及中间产物转化工艺,从原理上开创了一条低耗水进行煤基合成气一步转化的新途径,初步回应了李克强总理 “能不能不用水或少用水进行煤化工”的关切。这项成果被同行誉为“煤转化领域里程碑式的重大突破”,《科学》杂志同期刊发了以“令人惊奇的选择性”为题的专家评述文章,认为该过程未来在工业上将具有巨大的竞争力。

该研究成果为合成气直接制乙烯技术的发展提供了重要的科学依据,也再次验证了OX-ZEO催化剂设计概念具有一定普适性,开拓了煤经合成气转化制化学品的新战略、新途径。

中科院成果颠覆煤化工“圣经”

中国科学院大连化学物理研究所与陕西延长石油有限责任公司合作,近日在陕西榆林进行了煤经合成气直接制低碳烯烃技术的工业试验,取得圆满成功,催化剂性能和反应过程的多项重要参数超过设计指标,总体性能优于实验室水平。

论文链接

《中国科学报》 (2016-03-08 第1版 要闻) 更多阅读 煤化工研究里程碑式突破:煤制烯烃将告别高耗水

该项目的研究得到了中国科学院洁净能源先导科技专项、中国科学技术部、国家自然科学基金委员会、以及中国科学院大连化学物理研究所的资助。

大连化物所合成气定向转化研究获进展

包信和团队的成果迅速引起产业界的巨大兴趣。

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研究工作得到了科技部和国家自然科学基金的资助。

这一摸索就是9年多。最终,研究团队发明了一种复合“金属氧化物+分子筛”的方法,不让“任性”的中间体在催化剂表面进行反应,而是迅速进入分子筛,在孔道限域环境中进行反应,定向生成低碳烯烃,大大提高了产物的选择性。

C-C偶联的精准调控一直是C1化学最核心也是最具挑战性的问题,是煤和天然气高效利用的关键。该研究团队近年来通过部分还原的金属氧化物和分子筛耦合的纳米复合催化剂,使合成气化学中CO活化与C-C偶联这两个关键步骤有效分离,已实现了高选择性地合成C2=-C4=混合低碳烯烃(Science; ACS Catalysis)和芳烃(Chemical Communication)。研究人员进一步利用丝光分子筛限域孔道活性位的择型作用,调变了反应路径,使反应沿乙烯酮为中间体的路径高选择性地转化成乙烯。当CO转化率为26%时,单一组分乙烯在碳氢化合物中的选择性高达73%,高于见诸报道的直接和间接过程中的乙烯选择性。

2015年4月22日,国务院总理李克强在厦门大学考察期间,曾就煤化工研究提出过这样一个问题,即“能不能不用水或者少用水进行煤化工”。

1923年,德国科学家费舍尔和托普希发明了煤经合成气生产高碳化学品和液体燃料的费—托过程。在国际能源和化工界,费—托过程几乎是一部不可替代的“圣经”。

“这项成果的想法很巧妙,但过程并不复杂。我对产业化前景很有信心。”张涛说,“如果把石油制烯烃、甲醇制烯烃叫作烯烃1.0、2.0时代,那么这项成果很可能把我们带向烯烃3.0时代,帮助中国走出一条自己的清洁煤化工道路。”

人类生产生活所必需的大量化工原料和产品,都直接或间接来自石油、煤等化石能源。因此,各国在大力发展新能源的同时,也一直在石油和煤化工领域不断创新。

对于身陷能源困局的中国来说,这项成果就像一颗火种,照亮了一条充满希望的道路。

一条从“煤”走过的路

更重要的是,新发明的过程除了节水和在工艺上降低二氧化碳排放,还具有很高的经济效益,成功地回答了“总理之问”。

值得一提的是,在从事这项研究的9年多里,团队除了申报多件中国发明专利和国际PCT专利,并未公开发表过一篇相关研究的文章,几乎可以说是9年“零产出”。

论文刊发后,《科学》杂志同期刊发了一篇专家评述文章,认为该过程未来在工业上将具有巨大的竞争力。

“这就好比把‘自由基’关进一个‘笼子’,通过限制其行为,使其最终变成我们想要的目标产物。”包信和说,将来还有可能通过调控分子筛的孔道和酸性质,实现产物分子的可控调变。

你任性?我用“笼子”关住你!

“乙烯是石油化工之母,但目前我国乙烯、丙烯的满足度仅有60%,缺口很大。”中国石油化工集团公司副总工程师王子宗说,“中科院这项成果实现了煤气化直接制烯烃,从产业角度来说,这项技术是非常有前景的。”

烯烃3.0时代将至

总理之问

而对煤多油少的中国来说,通过煤化工获得各种化工产品,更是一条不可或缺的道路。

“中国的发展依赖于技术的突破。”包信和很清楚,总理的问题也正是中国煤化工产业的痛处所在。面临着严峻的资源环境压力,中国必须要有自己的技术储备,走出一条自己的路。

中科合成油技术有限公司总裁李永旺也盛赞称:“在历史上,由中国人发明的大反应并不多。这项成果从科学角度来说是一个颠覆性的创新,其重要性不亚于费—托过程。”

传统的费—托过程采用金属做催化剂,煤气化产生的一氧化碳在催化剂表面活化产生中间体后,只能任其在表面上自由聚合生长,既“漫无目的”,也“无拘无束”,因此目标产物的选择性较低。

目前,中科院大连化物所已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共同合作,力争尽快实现工业示范和产业化,努力将这一原创性成果转变为真正的生产力。

中国科学家成果颠覆煤化工“圣经”

但这部“圣经”并不完美。除了产生大量的二氧化碳,反应过程还要消耗大量的水,且产物选择性差,后续处理要消耗大量的能量。

3月4日,美国《科学》杂志发表了中科院院士、中科院大连化物所研究员包信和与研究员潘秀莲领导的团队取得的一项成果。他们创造性地采用一种新型复合催化剂,可直接将煤气化产生的合成气转化,高选择性地一步反应获得低碳烯烃。

中科院院士何鸣元对这一成果给予了高度评价:“他们不但提出了全新的概念,而且依靠一系列科学前沿的突破,最终改变了人们对煤化工过程的观念。”

但这样的“默默无闻”却得到了中科院大连化物所所长、中科院院士张涛的无条件支持。在他看来,研究所不应为一时一事去评判科学家,而是要鼓励他们静下心来,去研究重大科学问题,挑战世界难题。

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