科技创新实现化石能源高效清洁利用

■本报记者 韩扬眉

“‘双碳’目标下，新能源逐步取代传统能源的过程中，传统能源‘要发挥保底作用’。而制定低碳化发展技术路线是实现我国煤化工、石油化工等能源化工产业高质量发展的关键核心。”中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）所长刘中民告诉《中国科学报》。

这里的“传统能源”指的是煤、石油等传统化石能源。我国的资源禀赋结构是“富煤、贫油、少气”，这使得煤炭消费在我国能源结构中一直占主导地位，二氧化碳减排压力巨大。

除了开发利用新型清洁能源，如何突破化石能源利用中的高能耗、高排放等技术瓶颈，实现传统能源绿色低碳转型发展，也是实现“双碳”目标的必由之路。

新路线：煤的高效清洁利用

“煤炭在我国能源结构中的比重虽然会有所下降，但其作为我国能源结构主体的基本国情在未来很长一段时间内难以改变。”刘中民表示。

与此同时，重要大宗化学品如烯烃、芳烃和含氧化合物等作为石化产业链的基石，在国民经济结构中占有重要地位。而我国以石油化工为主的大宗化学品生产，原料对外依存度已经超过72%，国家能源安全和产业链、供应链安全具有极大的潜在风险。

刘中民认为，调整我国石化原料结构，开展煤基化石能源高效清洁转化，以及多种资源系统耦合优化转化来生产大宗化学品，具有诸多优势。这既可以大幅提高资源利用率，还可以通过能量耦合降低能耗，促进石化工业低碳化流程改造和结构升级。

而实现转化的核心，则是低碳催化技术的突破与应用，关键在于高效催化剂和先进的反应工艺的开发。

早在上世纪80年代初，中科院就将开发以煤或天然气为原料经由甲醇制取低碳烯烃的新工艺列为战略性重点课题，由大连化物所主导，率先开发了两代甲醇制取低碳烯烃技术（DMTO）。

历经30年时间、四代科研人员的努力，该所开发的催化剂及流化床反应工艺已达到国际先进水平。2010年8月，年产60万吨烯烃规模的神华包头DMTO工业装置投料试车一次成功。这是世界上首套大型甲醇制烯烃工业装置，标志着我国率先实现了甲醇制烯烃的核心技术及工业应用“零”的突破。如今，第三代DMTO技术开发已完成，首套示范装置也正在建设中。

截至目前，DMTO系列技术已累计实现工业装置技术许可31套（投产15套），烯烃产能达到2050万吨/年，预计拉动投资超4000亿元，全部投产后可实现年产值超2000亿元，将引领我国煤制烯烃产业的形成和发展。

新产业：多路探索先进技术

为了面向化石能源综合高效利用生产大宗化学品等重大需求开展研究与工业试验，刘中民带领团队在国家发展改革委支持下建设了低碳催化技术国家工程研究中心（原甲醇制烯烃国家工程实验室）。

“产学研紧密合作，以组群方式探索快速形成工业化应用创新成果的新模式。”刘中民说。

在DMTO系列技术研发成功之后，刘中民带领团队相继开发了甲醇经二甲醚羰基化制乙醇（DMTE）技术，开辟了以煤炭（天然气）等资源为原料，大规模廉价生产乙醇的全新技术路线，可有效避免乙醇生产“与人争粮、与粮争地”的不利局面，有利于保障国家粮食安全。DMTE技术也可实现与钢铁行业的耦合与联动，利用钢厂尾气生产乙醇，将为钢铁冶金与能源化工行业协调发展提供更加广阔的空间。

截至目前，DMTE技术已累计实现技术许可9套装置，乙醇产能达到265万吨/年，累计拉动投资超200亿元，预计年产值超150亿元。

“一个新的煤基乙醇战略新兴产业正在快速形成。”刘中民表示，DMTE技术开创了燃料乙醇供应多元化的新局面，对保障我国能源安全、煤炭高效清洁利用以及“双碳”目标实现具有重要的战略意义。

新突破：科技创新解决技术瓶颈

刘中民介绍，目前，团队紧密围绕低碳催化转化的核心技术问题，开展催化反应、催化材料和反应工艺的创新和攻关，突破多项关键核心技术并实现产业化。

首先是低碳原料的高效清洁催化转化。针对煤化工过程中低碳原料，诸如合成气和甲醇等大宗基础化学品，包括烯烃、芳烃和含氧化合物等的技术瓶颈，发展高效清洁转化的催化剂和相关成套工艺技术，提高重要大宗基础化学品自主供给率，保障国家能源安全和石化产业链稳定。

其次是多途径低碳原料耦合催化转化。针对合成气、甲醇催化转化与低碳烃类联合转化的优势，发展高效耦合转化的催化剂和相关成套工艺技术，如石脑油甲醇耦合制烯烃、芳烃等，颠覆传统生产技术，大幅降低物耗能耗，助力石化产业低碳化升级。

最后是跨流程工业过程的碳氢资源高效催化转化。主要针对钢铁、冶金、建材、电力等行业的不同工业过程中碳氢资源化利用率低的问题，发展高效清洁耦合转化催化剂和相关成套工艺技术，实现跨工业过程的碳氢资源高值化利用，围绕“双碳”目标，为我国流程工业再造提供新技术。

“我国在煤化工领域已经形成了一批核心技术，正处于完成工业示范并大规模推广应用的有利时期。在‘双碳’背景下，要进一步加强技术创新，开拓煤制芳烃、含氧化合物新产业链，革新高能耗过程，延伸产业链，增加产品附加值，促进企业及地区差异化发展。”刘中民表示。