科技助力石化產(chǎn)業(yè)向綠向新向智
來源：央廣網(wǎng) 時間：2026-04-10 11:13
石化產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟的“壓艙石”，正面臨從“規(guī)模擴張”向“高端化、綠色化”轉(zhuǎn)型的迫切命題。然而，結(jié)構(gòu)性失衡的隱憂始終存在——一邊是成品油消費已于2023年達峰，傳統(tǒng)煉油產(chǎn)能過剩壓力日益凸顯；另一邊則是高端聚烯烴、高性能纖維、電子化學(xué)品等關(guān)鍵材料仍需大量進口，自給率普遍不足。面對這一“供需錯配”的轉(zhuǎn)型困局，如何用科技助力石化產(chǎn)業(yè)向綠、向新、向智？江蘇高校力量正在探索行之有效的路徑。
探索路徑之“化學(xué)轉(zhuǎn)化”——
國產(chǎn)乙二醇精準(zhǔn)去雜質(zhì)躍升“優(yōu)等生”
今年3月，連云港徐圩新區(qū)傳來好消息：常州大學(xué)自主研發(fā)的乙二醇加氫精制技術(shù)，在全球首套大型輕烴制聚酯級乙二醇裝置上實現(xiàn)一次性開車成功，各項關(guān)鍵指標(biāo)均超越設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，達到高端聚酯原料的嚴(yán)苛質(zhì)量要求。這一成果為我國石化產(chǎn)業(yè)高端化轉(zhuǎn)型提供了技術(shù)支撐。
這項成果并非一蹴而就，其背后是科研團隊近20年的持續(xù)攻關(guān)。故事的起點，要追溯到2006年春節(jié)。時任原江蘇工業(yè)學(xué)院化工系院長的陳群接到了一個求助電話。來電的是他的大學(xué)同學(xué)、揚子石化烯烴廠廠長：“我們的乙二醇產(chǎn)品賣不出去，務(wù)必來幫幫忙！”
乙二醇是生產(chǎn)聚酯纖維和聚酯瓶片的核心原料——我們身上穿的化纖衣服、手里拿的飲料瓶、床上蓋的絲棉被，都離不開它。我國每年消耗乙二醇超過2500萬噸，是名副其實的大宗化工品。但當(dāng)時，無論是揚子石化這樣的從石油中提取乙二醇的企業(yè)，還是剛剛興起的煤制乙二醇工廠，都面臨同一個“卡脖子”難題：產(chǎn)品質(zhì)量達不到高端聚酯的要求。
“問題在于一種看不見的‘隱形殺手’——微量不飽和雜質(zhì)。這些雜質(zhì)含量極低，以ppm（百萬分之一）甚至ppb（十億分之一）計，常規(guī)檢測手段難以捕捉，卻會顯著影響產(chǎn)品的紫外透光率。”陳群介紹，用含雜質(zhì)的乙二醇做出來的聚酯，顏色發(fā)黃、穩(wěn)定性差，無法滿足高端產(chǎn)品的嚴(yán)苛要求。
面對求助，陳群團隊選擇了加氫精制這條路，并迅速在實驗室里搭建了一套小裝置，直接拉到揚子石化現(xiàn)場進行側(cè)線試驗?！盎S的裝置一年四季連續(xù)運行，企業(yè)不可能因為上新技術(shù)就停車等待。就像跳火車，你得跟著火車跑，速度一致了再跳上去?！标惾航忉尩?，這種在線并網(wǎng)的難點在于試驗裝置必須完全適配主生產(chǎn)線的原有溫度與壓力。這也意味著催化劑必須在極窄的既定窗口內(nèi)發(fā)揮極致性能，在不改變原有工況、不額外增加能耗的前提下，實現(xiàn)新技術(shù)的“無縫嵌入”。
為什么非要用加氫法？團隊成員孫中華教授解釋：“傳統(tǒng)工廠常用脫醛樹脂處理乙二醇，但這種方式脫除的雜質(zhì)并非徹底被‘轉(zhuǎn)化’，只是被暫時‘隱身’了。這也導(dǎo)致有時候產(chǎn)品出廠時指標(biāo)合格，但經(jīng)長途運輸?shù)搅丝蛻羰掷镉植贿_標(biāo)?！睘榇?，團隊研發(fā)了特異性吸附與定向加氫催化技術(shù)，將那些不飽和的雜質(zhì)精準(zhǔn)捕獲并加氫轉(zhuǎn)化為乙二醇本身。這樣一來，雜質(zhì)被徹底“消化”，轉(zhuǎn)化過程不可逆，產(chǎn)品質(zhì)量從源頭得到保障。
從分析雜質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)，到催化劑和轉(zhuǎn)化流程的設(shè)計，團隊成員在研發(fā)期間多次往返于工廠與學(xué)校之間，一步步解開謎題。2010年，第一套乙二醇加氫提質(zhì)工業(yè)裝置在揚子石化開車成功，產(chǎn)品紫外透光率一舉達標(biāo)。
這次的成功只是開始，真正讓這項技術(shù)大顯身手的，是煤制乙二醇路線。我國石油對外依存度超過70%，但煤炭資源相對豐富，發(fā)展煤制乙二醇本是一條保障能源安全的重要路徑。然而，當(dāng)時煤制乙二醇的產(chǎn)品質(zhì)量比石油路線更差，紫外透光率甚至達不到聚酯級的最低門檻，下游企業(yè)根本不敢用。
從石油路線到煤路線，雜質(zhì)成分變了，催化劑需要重新設(shè)計。團隊花了數(shù)年時間，不斷迭代催化劑體系，從第一代到第五代，實現(xiàn)了活性、穩(wěn)定性與單周期壽命的全方位提升。
在煤化工領(lǐng)域取得決定性突破后，科研團隊并未停下創(chuàng)新腳步，而是將目光轉(zhuǎn)向近年來興起的新工藝——輕烴路線（以乙烷、丙烷為原料）。盡管這條路線成本優(yōu)勢明顯，但對加氫精制技術(shù)提出了更高要求：催化劑壽命要更長，裝置要能長周期滿負荷運行，而且必須做到本質(zhì)安全。
陳群介紹，輕烴路線對催化劑的要求更高——裝置要長周期滿負荷運行，催化劑不能動不動就“罷工”。為此，團隊在煤化工路線的基礎(chǔ)上，對催化劑進行了全新升級，讓其更耐用、更穩(wěn)定，單周期壽命大幅提升，徹底解決了大型石化裝置頻繁停工換劑的行業(yè)痛點。
輕烴制乙二醇的反應(yīng)器又高又細，如何讓氫氣、液體和固體催化劑在里面“配合默契”，是個世界級難題。在校企協(xié)同攻關(guān)下，團隊創(chuàng)新采用無氫氣循環(huán)工藝——即氫氣一次性通過，不再循環(huán)利用，這不僅極大簡化了工藝流程，更從源頭上消除了氫氣高壓循環(huán)帶來的安全隱患。反應(yīng)器內(nèi)部采用多段冷激式結(jié)構(gòu)，就像在長長的管道里分段“降溫刺激”，精準(zhǔn)消除反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量，讓氣、液、固三相高效協(xié)同，保障了生產(chǎn)的高效與本質(zhì)安全?！白?月成功開車以來，裝置已穩(wěn)定運行近一個月，首批產(chǎn)品全部合格?！边B云港石化有限公司副總經(jīng)理范昌海說。
“我們打通了輕烴制聚酯級乙二醇完整工藝閉環(huán)，驗證了該技術(shù)對全產(chǎn)業(yè)鏈原料的普適性與優(yōu)越性?！标惾和嘎?，目前相關(guān)技術(shù)已在全國17套大型工業(yè)裝置推廣應(yīng)用，覆蓋中石化、陽煤集團、陜煤榆林、新疆天業(yè)、廣西華誼等行業(yè)龍頭企業(yè)，每年產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)乙二醇達1000余萬噸。
探索路徑之“物理分離”——
給氣體分子“縫”出“超薄篩選膜”
與常州大學(xué)從“化學(xué)轉(zhuǎn)化”維度解決品質(zhì)問題的加氫技術(shù)不同，南京工業(yè)大學(xué)的分子篩膜技術(shù)是從“物理分離”維度攻克雜質(zhì)難題。近日，該校顧學(xué)紅、王學(xué)瑞團隊研發(fā)出“胚胎沸石介導(dǎo)縫合成膜”新策略，成功制備出可規(guī)?；母咝阅芊惺肿雍Y膜，為工業(yè)氣體分離裝上了“精準(zhǔn)篩選器”。研究成果發(fā)表于國際頂級期刊《自然·通訊》。
為什么工業(yè)氣體分離需要這樣一張“精準(zhǔn)篩選器”？天然氣從地下開采出來時，往往混有二氧化碳。二氧化碳不僅熱值低、“燒起來不頂用”，還會在水的共同作用下腐蝕管道。因此，天然氣在進入輸氣管網(wǎng)前，必須將二氧化碳脫除到3%以下。傳統(tǒng)方法采用的深冷分離，是把溫度降到氣體分子液化的程度，而這一過程動輒零下100多攝氏度。一座百萬噸級的天然氣處理廠，僅分離環(huán)節(jié)的年耗電量就是一個天文數(shù)字。同樣的困境也出現(xiàn)在石油煉化中。那些化學(xué)組成完全一樣、僅空間結(jié)構(gòu)不同的“分子雙胞胎”——同分異構(gòu)體，性質(zhì)差異極小，用傳統(tǒng)精餾塔分離，塔身動輒上百米高，且難以高效分離。實現(xiàn)新型分離材料的規(guī)模化制備，降低氣體分離的能耗，一直是能源化工行業(yè)的“老大難”。
沸石分子篩膜，本質(zhì)上是一款亞納米級“氣體分子篩”，其表面布滿超小細孔，只讓特定尺寸的分子通過，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)分離?！皞鹘y(tǒng)沸石分子篩膜有兩大痛點：一是膜層太厚，氣體分子穿過的阻力大、跑得慢；二是從實驗室樣品放大到工業(yè)規(guī)格時，容易出現(xiàn)缺陷——就像一塊布上有了針眼，大分子也會從小漏洞里溜過去，分離效果大打折扣?！鳖檶W(xué)紅介紹。
團隊提出“胚胎沸石介導(dǎo)縫合成膜”新策略，精準(zhǔn)破解了這兩大難題。論文第一作者游樂凱博士形象地比喻：“傳統(tǒng)膜層內(nèi)縫隙的消除，就像在石子路上鋪瀝青，縫隙總填不平?！倍谛虏呗灾校瑘F隊先培養(yǎng)出微小的“沸石胚胎”，即一種結(jié)構(gòu)初具雛形的沸石中間體，然后通過縮合反應(yīng)（一種讓分子間“握手”連接的化學(xué)過程），讓這些胚胎像積木一樣緊密拼接，相鄰的沸石晶體之間形成化學(xué)鍵，最終長成一塊沒有縫隙的連續(xù)分離膜?！斑@就像拿一根‘針線’，把沸石分子篩晶體從原子層面實現(xiàn)精準(zhǔn)‘縫合’，形成‘無縫銜接’的分離膜。”
王學(xué)瑞介紹，這一策略實現(xiàn)了三大突破：一是更薄——膜厚度降至560納米，相當(dāng)于初始晶種層的厚度，氣體穿透阻力大幅降低；二是更準(zhǔn)——當(dāng)用于天然氣脫除二氧化碳時，每透過300個氣體分子中，甲烷分子數(shù)量還不到2個，篩選氣體分子的精準(zhǔn)度高；三是更大、更通用——成功制備出工業(yè)規(guī)格分子篩膜組件，實現(xiàn)了從實驗室樣品到工業(yè)級組件的跨越?！霸摬呗栽趪H沸石協(xié)會收錄的三種不同拓撲結(jié)構(gòu)的沸石分子篩（STT、CHA和MFI）中均適用，普適性良好?！?/p>
“傳統(tǒng)深冷分離的操作溫度通常為氣體分子液化溫度，而我們研發(fā)的沸石分子篩膜技術(shù)在室溫下就能運行，能耗優(yōu)勢非常明顯?！鳖檶W(xué)紅說。
然而，膜的放大制備只是第一步。能不能在真實工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運行，才是企業(yè)最關(guān)心的。團隊將膜組件置于含2500ppm硫化氫、飽和濕度的沼氣提純工況下測試。盡管該環(huán)境相比天然氣要苛刻得多，但結(jié)果顯示，膜組件已穩(wěn)定運行超過220天，能同步實現(xiàn)二氧化碳、水和硫化氫的滲透，經(jīng)受住了嚴(yán)苛工況的考驗。
顧學(xué)紅表示，放大過程需重點考慮穩(wěn)定性問題，一方面是膜生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，確保膜產(chǎn)品的品質(zhì)穩(wěn)定；另一方面是膜使用過程的穩(wěn)定性，確保工業(yè)裝備的平穩(wěn)運行。如何精準(zhǔn)控制原材料從雜亂無章的原子合成規(guī)整有序的分子篩膜，一直是國際學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點。“如果分子篩膜的生產(chǎn)和使用僅靠經(jīng)驗，一些細微的原料變化或者環(huán)境條件變化造成的雜質(zhì)影響，都可能導(dǎo)致完全不同的結(jié)果。”為此，團隊計劃借助人工智能手段，試圖將這一“黑匣子”過程定量化、可控化。
事實上，分子篩膜的“精準(zhǔn)篩選”能力在有機溶劑提純領(lǐng)域同樣頗有建樹。早在這項工業(yè)氣體分離和純化成果之前，顧學(xué)紅團隊就已經(jīng)用分子篩膜解決了一個讓化工廠頭疼的問題：乙二醇生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生一種叫“雜醇油”的副產(chǎn)物，里面含有甲醇、乙醇等有用成分，但因為水和乙醇像“連體嬰”一樣難以分開，很多企業(yè)只能把它當(dāng)?shù)蛢r燃料燒掉。為此，團隊利用分子篩膜的“精準(zhǔn)篩選”能力，成功打破了水和乙醇的共沸瓶頸，開發(fā)出一套完整的提純工藝，能把雜醇油變成純度高達99.8%的乙醇產(chǎn)品。目前，這項技術(shù)已在多家乙二醇企業(yè)建成了工業(yè)裝備，運行良好。
“從液體到氣體，分子篩膜的工業(yè)應(yīng)用版圖正在不斷擴展?！鳖檶W(xué)紅表示，未來，這項成果還將為天然氣提氦、同分異構(gòu)體分離等場景提供可行的技術(shù)路徑。（謝詩涵）
責(zé)任編輯：王奕博
