研發路漫漫

文／本刊記者 鄭 丹／姚 璐 覃 念

潛心研發與成果轉化，西南院大型煤制天然氣甲烷化催化劑實現工業化應用。

煤的主要化學組成：C。

天然氣的主要化學組成：CH4

如何把煤變成天然氣？顯而易見，需要C+H，即碳加氫。這就是西南院多年來持之以恒的事。

西南院專攻的這項技術名為“大型煤制天然氣甲烷化技術”。科研人員研發出的煤制天然氣甲烷化催化劑首次實現110%負荷平穩運行。

“這標志著我國自主研制的大型煤制天然氣甲烷化技術取得重大突破，對保障國家能源安全具有重要意義。”西南院黨委書記、總經理陳健表示。

為煤炭找出路

中國，煤炭大國。富煤，是中國的資源稟賦特點。

煤炭，曾經在我國能源和社會經濟發展中充當頂梁柱作用。但隨著世界能源結構調整以及低碳發展的需要，煤在世界能源消費中的占比逐漸下降，份額被后起之秀——石油和天然氣所追趕。

當中國仍然“以煤為主”的時候，世界步入退煤時代。

2015年12月18日，因持續惡化的煤炭行情等因素，英國煤炭控股有限公司正式宣告關閉其最后一個地下煤礦——凱靈利。這意味著始于300年前工業革命時期的英國煤炭工業徹底告別歷史舞臺。

2020年，礦商嘉能可發布公告顯示，公司將于2023年前關閉位于澳大利亞的四座煤礦，屆時這四座煤礦將臨近生產年限。

在美國，煤炭正在消亡。據Grist 網站報道，在過去的十年中，由于清潔和廉價的替代能源將曾經占主導地位的煤炭推向了窮途末路，美國煤礦業就業人數下降了近一半。而且，拜登總統最新的能源轉型計劃將會進一步加速這一趨勢。

……

中國將如何邁開煤炭清潔高效開發利用的步伐？引全球關注。

2014年，國務院辦公廳下發《關于印發能源發展戰略行動計劃（2014-2020年）的通知》要求“推進煤炭清潔高效開發利用”：按照安全、綠色、集約、高效的原則，加快發展煤炭清潔開發利用技術，不斷提高煤炭清潔高效開發利用水平。

中國工程院院士杜祥琬曾表示，為做好煤炭的大文章，我國制定了清潔高效利用煤炭的戰略方針。就是要控制那些不清潔、不高效的部分。

清潔高效利用煤炭，煤制天然氣是一條可行的路徑。

國之所望，心之所向。

在煤制天然氣關鍵技術突破的道路上，甲烷化技術的突破是重要一環。而甲烷化技術的核心就是催化劑。

據西南院副總經理、催化劑事業部總經理鄭珩介紹，該院對甲烷化催化劑的探索始于上個世紀90年代，當時針對合成氨原料氣中的少量一氧化碳、二氧化碳反應變成甲烷而實現凈化。

十年研究苦旅，終獲圓滿結局。

2021年12月，西南院自主研制的煤制天然氣甲烷化催化劑在新疆慶華能源集團有限公司（以下簡稱新疆慶華）實現1400 小時連續工業側線運行，開啟了一條讓煤炭清潔化利用、減少環境污染的道路。

點煤成氣之路

DISCOURSE

煤制天然氣甲烷化催化劑在新疆慶華實現1400 小時連續工業側線運行，開啟了一條讓煤炭清潔化利用、減少環境污染的道路。

如同石油可以制成多種化工品，煤也可以變身為油、烯烴、乙二醇、天然氣。在煤化工領域，以經濟性為衡量標尺決定了煤是否要變油、變烯烴、變乙二醇、變天然氣。

當能否盈利成為煤制天然氣企業的決策依據，西南院首先經歷了漫長的等待。

2009年，西南院大型煤制天然氣甲烷化技術研發立項之時，可謂占了天時地利人和。

天時。

我國新疆、內蒙古和山西等地區富煤，但新疆等地多產劣質煤，熱值較低，價格也不高。如何讓這些富煤的地區實現煤炭的清潔高效利用，將煤炭轉換成可輸送的能源輸送到中東部地區，是國家戰略和能源安全保障之所需，成為業內研究的重要課題。

“無論從當時還是現在來看，這個項目的立項無疑是有前瞻性的。”陳健表示。

地利。

在西南院大型煤制天然氣甲烷化技術立項之初，國內煤制氣企業已經伸出技術引進的觸角，利用國外先進技術，在國內發展煤制天然氣的藍圖已經鋪開。據介紹，當時，國內有大唐克旗、新疆慶華、伊犁新天和內蒙匯能四家煤制氣企業獲批建設，它們全部引進了國外的甲烷化技術。

人和。

“作為國家級的研究機構，西南院正是看到了這片廣闊的市場。雖然彼時國內企業全部使用引進技術，但我們覺得中國人不能一直吃洋面包，一直依賴著國外技術，因為這早晚要付出巨大代價。”陳健說。

高度的使命感和擔當，讓西南院組建起一支煤制天然氣甲烷化技術的研究隊伍。在研究人員的心里都有一個目標：一定要研發出高于國外水平的甲烷化技術。“如果我們的技術落后于國外，我們永遠就沒有市場機會。”陳健解釋說。

天時地利人和，希望的種子不失時機地播撒，也早早結出了果子。

2009年，西南院正式開始項目研究。2014年，開展市場調研，在擬建項目和已建項目中進行推廣。經過不懈努力，中海油和西南院有了合作意向。

“在擬建項目中，我們調研了中海油大同項目和鄂爾多斯項目。但那時國際油價暴跌，煤制氣項目的經濟性評估幾經努力卻未獲通過。最后，這兩個項目都下馬了。而我們想在這兩個項目上率先實現自主研發技術的工業化示范，也成了泡影。”西南院催化劑事業部副總經理曾旭說。

從開始的天時地利人和，到最終差一把東風助力，西南院怎能服輸？在逆境中，西南院仍持續投入研發，夯實技術可靠性和先進性。2013年，西南院與中海油啟動該技術的合作研究。僅用一年時間，就建成國內外第一套2000Nm3/h 煤制天然氣甲烷化全流程中試裝置，并成功滿負荷運行1000 小時以上。

在西南院副總工程師、催化劑事業部副總經理張新波看來，這一成功的意義在于三個方面。一是打通了工藝流程，驗證了催化劑與工藝的匹配性，為工藝包編制提供了參數，同時為技術優化提供了工業參數；二是中試的長周期運行，讓西南院發現了現有催化劑存在的不足，為進一步完善催化劑體系提供了依據；三是通過中試的運行，進一步深化了對該技術的認知，培養了大批技術人才。

找尋市場之路

在西南院攻克國產化煤制氣甲烷化催化劑技術之前，甲烷化技術領域呼風喚雨的都是外國公司，他們包攬了國內所有煤制天然氣甲烷化技術項目。

“當時人們對國內大型煤化工技術不太有信心，都不敢做第一個吃螃蟹的人，總覺得外國的月亮比中國的圓。”當被問及為什么西南院的煤制天然氣甲烷化催化劑技術立項十多年后才有機會嶄露頭角，曾旭告訴記者。

在陳健看來，經過西南院十余載研發問世的煤制氣甲烷化催化劑，由于沒有大規模的實際應用，客戶不放心選用，還是堅持選擇用國外的產品。“這也可以理解。誰都擔心上百億元的資金投進去，萬一弄砸了咋辦。”

客戶的謹慎，在西南院面前豎起了一道無形的障礙。

盡管如此，年復一年，西南院一直在推進煤制天然氣甲烷化催化劑的工業化進程。

“2009年立項，2014年與中海油合作項目中試成功，2015年工藝包完成……這個時間段我們的工作量是非常飽和的。到2015年，我們整個項目的工藝和催化劑也大致定型了。”西南院催化劑事業部總經理助理、煤制氣立項研發負責人何洋說。

作為負責商務推廣的催化劑事業部副總經理，曾旭對市場開拓的酸甜苦辣記憶猶新。

2014年開始到2020年，一次次的拜訪迎來卻多是被婉拒，現在想來，不無遺憾。“每年少則三四次，多則五六次，我都會反復地與煤制天然氣項目的一些技術負責人和專家講我們的技術和催化劑產品。”曾旭說。

自從與中海油成功合作進行了國內第一套2000Nm3/h 煤制天然氣甲烷化全流程中試后，當時的大環境就急轉直下。

由于國際油價在2014年暴跌，國內煤制氣企業遭遇滑鐵盧。而這一不景氣時期一下就持續了近十年。2013 至2020年，國內煤制天然氣項目長期處于虧損狀態。

“一方面，原本國內規劃了很多煤制天然氣項目，產能超過2000 億Nm3/a，但企業因為項目不盈利，沒有動力建設新項目；另一方面，當時國內已建成的煤制氣項目只有7 套，造成實際產能與規劃產能的差別極大。特別是因為企業沒有積極性建設新項目，我們的催化劑與工藝推廣就沒有可能實現。”張新波說。

從客戶的角度看，他們有諸多理由。

例如，用國外催化劑的好處是技術經過了工業化應用，相對來講比較成熟可靠，風險也較小。再說既然已經選定了與國外工藝包進行對接的方案，技術和工程方面的很多問題也與外方技術人員進行了交流……而國內的催化劑產品，只經過實驗室、中試階段，尚無工業化應用，而且試驗數據也是停留在中試階段或者模擬試驗階段，有種“霧里看花”的感覺。

最讓西南院感覺無奈的有幾個方面。

其一，由于存在著“國外的技術就是世界先進的”這種固有思維，客戶還是比較愿意用國外的催化劑。因為，萬一失敗了那就失敗了，但用了國內產品如果失敗了，難免會遭到質疑：為什么當初不用國外的？“國內的煤制氣項目投資動輒二三百億元，他們覺得要采用我們的技術，冒的風險太大。用國外的催化劑比用國內的風險小，他們擔負的責任也少。”曾旭表示。

其二，因為實驗室試驗都是小規模的，不可能達到工業化應用的同等規模。2014年，西南院與中海油合作的國內第一套煤制天然氣甲烷化全流程中試成功，規模也僅是達到2000Nm3/h。而大型工業化煤制氣項目往往是每天生產幾百萬標準立方米天然氣（如新疆慶華項目每天生產460萬標準立方米天然氣）。“這就很難讓潛在客戶下定決心在裝置上采用我們的催化劑。”曾旭說。

其三，“走在我們前列的國外公司積累了大量的工程數據，能夠把項目的裝置、技術、工藝和設備說得比較清楚明白，而我們還只是停留在能夠中試階段，因此說服力要差一些，沒辦法完全打消潛在客戶的疑慮。”曾旭說。

阻力重重！在與中海油合作項目之后，西南院始終沒有尋到愿意“第一個吃螃蟹的人”。但大家心里知道，與國外技術相比，西南院的煤制天然氣甲烷化技術和產品服務具有相當的優勢，足以贏得客戶的青睞。

例如，在供貨方面，國外催化劑供貨周期長、運輸距離遠、技術服務不到位、價格昂貴，此外還存在斷貨的風險。“像新疆慶華到期需要更換催化劑，至少要提前6～8 個月向國外訂貨。”陳健說。

從服務和價格方面看，國外只供貨到港口，港口完稅和其他一些問題全要業主自己完成。“我們則可以直接發貨到業主的工廠，給業主節約大量的時間、精力、資金。”陳健說。

山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村。終于，機遇降臨。

2021年4月，西南院通過坦誠交流得到了新疆慶華的初步認可。

西南院催化劑人立志實現國產化的抱負和新疆慶華領導的家國情懷與使命擔當，終于碰撞出了火花：他們同意在自己的煤制氣裝置進行側線試驗。

工業應用之路

“當感到項目推廣好像已經無望的時候，新疆慶華簽下與我們合作進行側線試驗的消息，令我們都很振奮。因為，這對我們意味著離成功又近了一步！”曾旭說。

苦“煉”十年，一朝進爐。這次機遇，再次印證了天時、地利、人和！

側線試驗完全模擬新疆慶華采用國外催化劑運行的實際工況。雙方達成協議后，2021年9-10月，西南院在新疆慶華進行側線試驗。

“結果表明，試驗很成功，天然氣的質量和運行的參數都優于國外技術和催化劑。”何洋說。

“我專門寫了一篇報道，來表達對慶華的感謝。因為能夠促成這個項目，最大的原因是慶華的領導有責任有擔當。一個技術專家型的領導加上責任擔當，才最終促成了這個事。”談及這次合作的驚鴻一筆，曾旭表示。

側線試驗成功后，各方面的調研也完成了。西南院在2022年初與新疆慶華簽訂了合同，新疆慶華煤制氣催化劑裝置全部采用西南院的國產甲烷化催化劑產品。

2022年7月28日，新疆慶華煤制天然氣裝置實現滿負荷生產。

“本次開車運行，是國內首次整爐國外催化劑的替代。我們的催化劑需要滿足對方工藝參數設置，并達到100%的負荷。因此，7月28日投料時，我們完全按照原有的操作參數（溫度、壓力、流量、蒸汽量、循環量等）進行投料，取得了與國外催化劑基本一致的效果。”鄭珩表示。

“我國自主研制的大型煤制天然氣甲烷化技術取得突破”“中國中化助力我國煤制天然氣催化劑技術實現自主可控”“這一重大科研成果打破了國外技術壟斷”……西南院的這項突破一經媒體報道，引起了極大的社會反響。包括西南院、中海油、新疆慶華，央視和新疆維吾爾自治區、四川省的電視臺和媒體，以及《經濟日報》《參考消息》《中國化工報》《科技日報》《南華早報》等國內外媒體都對此進行了報道。

今年以來，國際油價頻繁震蕩，但總體處于高位。當油價較高時，煤制氣凸顯出經濟效益。“對企業來說，選擇我們的國產化技術降低成本，我們又可以提供便利的交流和優質服務，因此前景看好。”鄭珩說。

“前景看好”還有另一層意義。當前，俄烏沖突持續，世界局勢動蕩，油氣和化工行業的原料和生產受到極大影響。對投資巨大的煤制氣企業而言，在這樣的形勢下能否按時供貨是他們最為關注的。

“據了解，俄羅斯某些在建項目買的是國外的工藝包。但是出現了工廠即將建成的時候，歐美公司不給提供催化劑的情況。而業主所需的催化劑一旦斷貨，投資數百億的生產線只能停下來。”鄭珩說。

為清潔利用煤炭找到了出路，為國家解決了“卡脖子”的技術難題。尤其是在國際局勢錯綜復雜的今天，西南院的大型煤制天然氣甲烷化技術為煤制氣企業提供了更加放心的技術服務和保障。

“前些日子，我在與國內一些企業交流的時候，他們也表達了想和我們合作的意愿。煤制氣技術國產化有信心了，終于可以揚‘煤’吐氣了。”曾旭說。

“催”煤成氣，揚“煤”吐氣，西南院不辱使命！

▲陜西榆林煤制氫PSA裝置。