讓更少的煤“變”出更多的油——記中國(guó)專(zhuān)利金獎(jiǎng)項(xiàng)目“低溫費(fèi)托合成催化劑及其制備方法和應(yīng)用”

　　在國(guó)家能源集團(tuán)北京低碳清潔能源研究院(以下簡(jiǎn)稱(chēng)低碳院)的展廳里，一罐普通的黑色粉末靜置在展柜中。它看似毫不起眼，但用于煤制油裝置，可以大幅提高煤變油的效率，用更少的煤“變”出更多的油。它就是費(fèi)托鐵基催化劑，也被稱(chēng)為煤間接液化制油技術(shù)的“芯片”。

　　該技術(shù)相關(guān)專(zhuān)利“低溫費(fèi)托合成催化劑及其制備方法和應(yīng)用”獲得第二十五屆中國(guó)專(zhuān)利金獎(jiǎng)。6月20日，中國(guó)化工報(bào)記者走進(jìn)低碳院，采訪了項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員，探訪這一技術(shù)背后的攻堅(jiān)故事。

　　面向國(guó)家需求　研發(fā)高抗磨催化劑

　　我國(guó)具有富煤、貧油、少氣的能源稟賦，發(fā)展煤制油技術(shù)對(duì)保障能源安全具有重大意義。其中，煤間接液化制油技術(shù)是煤制油技術(shù)的重要方向，而費(fèi)托合成催化劑又是煤間接液化制油技術(shù)的核心。

　　2006年，國(guó)家能源集團(tuán)自主開(kāi)展費(fèi)托合成催化劑的研發(fā)。低碳院首席專(zhuān)家林泉博士勇挑重?fù)?dān)，投身于費(fèi)托合成催化劑的研發(fā)工作。

　　“當(dāng)時(shí)，催化劑面臨抗磨損性和穩(wěn)定性不足、活性和高附加值產(chǎn)品收率低等問(wèn)題。抗磨損性不足會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器堵塞，影響裝置運(yùn)行，產(chǎn)品也會(huì)混有催化劑的細(xì)粉，導(dǎo)致品質(zhì)降低，而過(guò)濾其中的雜質(zhì)又會(huì)產(chǎn)生大量固廢，增加處理成本。”林泉回憶道。

　　“傳統(tǒng)提升催化劑強(qiáng)度的方法是加大黏結(jié)劑用量，但這會(huì)覆蓋催化劑活性表面，導(dǎo)致性能降低，高溫制備方法也會(huì)導(dǎo)致催化劑孔結(jié)構(gòu)致密化，降低傳遞效率。”林泉進(jìn)一步解釋說(shuō)，“我們摒棄了傳統(tǒng)鐵基催化劑的思路方法，通過(guò)調(diào)控鐵表面吸附性質(zhì)和硅羥基特性，讓鐵和硅在合適條件下結(jié)合，既提高了催化劑強(qiáng)度，又保留了活性表面。我們還采用低溫條件制備，解決了催化劑孔隙變小、密度增大的問(wèn)題。”

　　經(jīng)過(guò)十年攻關(guān)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出具有高抗磨性和多產(chǎn)油蠟特性的新型鐵硼系CNFT費(fèi)托合成催化劑。

　　“三蒸三曬”　實(shí)現(xiàn)千噸級(jí)工業(yè)放大

　　從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化，這條路布滿(mǎn)荊棘。

　　“釀造醬油需三蒸三曬，我們也是如此。催化劑的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)歷了三次從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化的‘涅槃’。”林泉介紹道。

　　2010年，新型催化劑的公斤級(jí)中試放大及噴霧干燥成型試驗(yàn)順利，卻在噸級(jí)工業(yè)放大中出現(xiàn)了問(wèn)題。工業(yè)試驗(yàn)暴露出抗磨性缺陷，于是研究團(tuán)隊(duì)回歸實(shí)驗(yàn)室，從影響抗磨性的基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)開(kāi)始進(jìn)行第二次“長(zhǎng)征”。

　　2016年，團(tuán)隊(duì)開(kāi)展百?lài)嵓?jí)工業(yè)放大試驗(yàn)，卻遭遇產(chǎn)物輕質(zhì)組分偏多，無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用性能要求的問(wèn)題。此時(shí)，質(zhì)疑的聲音再次傳來(lái)：“這已經(jīng)是第二次失敗了，是不是創(chuàng)新的方向錯(cuò)了。”

　　面對(duì)這些質(zhì)疑，林泉沒(méi)有氣餒，依然堅(jiān)持原創(chuàng)之路。“誰(shuí)說(shuō)問(wèn)題只有一個(gè)解決方案。”林泉說(shuō)。她帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)重返實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行梳理，終于發(fā)現(xiàn)了癥結(jié)所在，原來(lái)是工業(yè)裝置循環(huán)氣帶來(lái)的氣體組成變化影響了反應(yīng)。找準(zhǔn)方向后，團(tuán)隊(duì)僅用2個(gè)月時(shí)間便完成新催化劑配方定型和驗(yàn)證，并在百?lài)嵓?jí)評(píng)價(jià)裝置上進(jìn)行了2000小時(shí)的長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

　　更大的挑戰(zhàn)在千噸級(jí)產(chǎn)線上。在生產(chǎn)實(shí)踐中，因催化劑漿料黏稠，輸送和噴成小球困難，難以進(jìn)行連續(xù)化生產(chǎn)。研究團(tuán)隊(duì)與設(shè)備廠家反復(fù)討論設(shè)計(jì)方案，定制特殊設(shè)備，才使得產(chǎn)線平穩(wěn)運(yùn)行。在連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，配方穩(wěn)定性又出現(xiàn)問(wèn)題，通過(guò)細(xì)致觀察，林泉發(fā)現(xiàn)有冷卻水滲漏，導(dǎo)致原料流失。團(tuán)隊(duì)緊急更換密封材質(zhì)，問(wèn)題得以解決。“每一次失敗之后，低碳院都沒(méi)有放棄我們，還是一如既往地給予支持。”回看來(lái)路，林泉始終深懷感恩之情。

　　“干活就完了”　用創(chuàng)新推動(dòng)行業(yè)水平提升

　　CNFT-1費(fèi)托合成催化劑先后在國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)400萬(wàn)噸/年煤間接液化裝置和潞安化工集團(tuán)100萬(wàn)噸/年合成油裝置上推廣應(yīng)用。“CNFT-1催化劑優(yōu)良的耐磨性能延長(zhǎng)了反應(yīng)器內(nèi)過(guò)濾器使用壽命，裝置產(chǎn)能提高5%，裝置檢修周期由1年延長(zhǎng)至3年，高附加值油蠟產(chǎn)量比同類(lèi)催化劑提升14%。”低碳院煤間接液化技術(shù)研究中心呂毅軍博士補(bǔ)充道，“此外，技術(shù)突破倒逼同行升級(jí)，帶動(dòng)了行業(yè)整體水平快速提升。”

　　CNFT-1催化劑研發(fā)成功后，團(tuán)隊(duì)繼續(xù)前行。2021年，針對(duì)煤化工行業(yè)面臨的高二氧化碳排放瓶頸問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了新一代低二氧化碳選擇性CNFT-2催化劑技術(shù)。CNFT-2催化劑在工業(yè)裝置應(yīng)用后，二氧化碳選擇性相比上一代催化劑降低4個(gè)百分點(diǎn)，百萬(wàn)噸油品二氧化碳年排放量降低15萬(wàn)噸。

　　回顧研發(fā)過(guò)程，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在工廠一待就是小半年，經(jīng)常要爬上六七十米高的裝置，在大風(fēng)呼嘯中檢查、分析、解決問(wèn)題。催化劑生產(chǎn)出現(xiàn)堵塞時(shí)，他們掏管道，研究原因。回憶起這些困難時(shí)，林泉感慨道：“當(dāng)時(shí)也沒(méi)想太多，干活就完了。”

　　正是這種不怕困難、勇往直前的科研精神，才讓團(tuán)隊(duì)在經(jīng)歷多次失敗后，仍舊持續(xù)堅(jiān)持、創(chuàng)新不止，在煤制油催化劑領(lǐng)域闖出一片新天地。