咨询委员会
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一项天然气高效干法脱硫科学技术的发明轨迹

吴迪镛

题记:“3018 干法脱硫剂及技术”是应我国石油天然气工业迫切需求而研制开发的具有自主知识产权的适合野外无人操作的干法脱硫技术。攻关组科研人员以“敢为天下先”的创新精神,仅三年多的时间,实现了从“概念创新”到“形成关键技术”,到“脱硫剂及技术产业化”的全过程。该技术具有世界领先水平,获得了中国发明专利,并先后获得了中国科学院和国家技术发明奖二等奖。目前已在我国四大油田同时使用。

“创新”是科学研究的灵魂,是科学家活力的体现。创新成果是我们科学工作者终生追求的目标。

创新就是要“敢为天下先”。看起来,它是科学家的气魄和胆识,是思想意识形态的内容,然而它却有着深厚的物质基础——“生产实践的迫切需求”与“长期科学实践的积累”。而“灵感”和“火花”同样是物质世界在科学家大脑中的反映。下面是一段我亲身经历的“敢为天下先”的创新案例。

我1960 年从北京石油学院(石油大学前身)毕业后,一直没有机会到油田第一线。1994年春,一个偶然的机会,我随时任所长袁权院士赴长庆油田洽谈“天然气膜法脱除酸性气体”项目,与会油田专家介绍,我国正处在天然气大规模开发的前夜,“陕—京天然气输气工程”即将启动,这一工程已确定使用成熟的“湿法脱硫”和“三甘醇脱水”技术。我国很需要适合野外使用的简便、高效的干法脱硫技术,长庆81 号井(长庆试验基地)采用美国技术已经建有一套日处理量为12 万m3的干法脱硫装置,而我国还没有自己的可用于油田野外作业的干法脱硫剂。会上,长庆石油管理局史副局长询问袁权院士,大连化物所能否研制开发我国自己的“天然气干法脱硫剂”,并表示油田方面将大力配合。“天然气干法脱硫剂在我国是空白、现场只能用美国的干法脱硫剂……”这一现实重重地捶击着我所这些科学工作者的心,第一次到油田现场的欣喜之情很快被沉重的心情所代替。当即,袁权院士和我交换了意见,认为化物所有化学反应工程的基础,又有煤制气脱硫的实践,有条件搏一搏,这一课题正符合我们“国家最需要,我们最合适”的选题原则。于是,我们同意先进行试探性研究,并提出了唯一的要求:一旦大连化物所拿出了干法脱硫剂,希望在长庆81 号井现有的脱硫装置上,卸下美国的脱硫剂,用中国的脱硫剂进行现场工业试验,有效果再签合同。就这样,为满足生产第一线的需求,凭一颗科学工作者的爱国心,我们接下了研究我国自己的脱硫剂这项攻关任务。

在招待所的客房内、在返回的旅途中,我们就开始了新的脱硫剂的策划。回所后,袁院士带领我们认真分析国内外现有干法脱硫剂存在的技术缺陷,找到了最主要的问题有两方面:一是脱硫速率太低,二是工作硫容太低,这就导致了现有的干法脱硫技术虽然具有流程简单、设备少及操作方便的优势,但在成本和规模上无法与湿法脱硫技术相匹敌,使现有的干法脱硫技术主要用于精脱硫工艺。也就是说,只有提高其反应速率以及工作硫容,干法脱硫剂才能改变目前的局面。技术难点找到了,并不等于有了解决难点的思路和办法,更重要的是首先必须提出一整套创新方案。然而,制定一个什么样的方案,摆在我们面前有两种办法:一种是走别人的老路去填补中国的空白;另一种是走自己的路,开创新局面。在这一点上,袁院士的态度是明确的,他一贯认为走别人的老路,做得再漂亮也总是修修补补。走自己的路,每一步都是新的。作为一名科技工作者,就应当敢于碰世界级的难题。还记得在“六五”攻关时,国家科委下达“常压水煤气部分甲烷化制城市煤气”任务时,有关技术领导问我们采用什么样的催化体系时,当时袁权院士的回答是:“我们不用以往的体系来划分我们的工作,而是以任务的实际需求,应当是什么就是什么‘系’,以此形成我们的体系。”结果在短短的三年时间里,我们拿出了“不结炭”“不飞温”、单程转化率达到99% 的“活性非均布”甲烷化催化剂,走出了一条前人没有走过的路。当世界银行的专家听到这一闻所未闻的结果后,非常惊奇,认为这是中国的创造。就这样一项创新成果,我们在全国相继建了10 个工程,并获得了中国科学院技术发明奖一等奖和国家发明奖三等奖。

那么,我们研制脱硫剂的新思路又在哪里呢?我们几位主要发明人一起分析了现有脱硫剂的脱硫原理,认为最有前景的应当是催化氧化脱硫,而且既然要脱硫,就必须不产生硫的二次污染,即脱硫产物必须是单质硫。也就是说,我们必须将天然气中的硫化氢和少量有机硫选择性氧化为单质硫。在进一步从反应工程角度深入分析后,我们找到了制约提高反应速率的“瓶颈”和硫容太低的原因。于是,我们进一步集思广益,制定了解决“瓶颈技术难点”的创新思路,提高硫容技术举措……终于,一条新型高硫容天然气干法脱硫剂的研究思路在我们脑海中鲜明地形成了。时间不等人。从4 月10 日我们回所后,几天内我们就组成了有技术人员参加的制备、评价、分析、测试的攻关队伍,仅仅一个多月,我们已取得了下列结果:我们加入了没有催化作用的微量物质,大大提高了脱硫剂的催化反应速率,结果反应活性提高了5~10 倍,反应空速提高了10 倍;我们在催化担体上下功夫,大大提高了硫容,工作硫容达到70%(湿)~100%(干)。一项催化反应工程新成果问世了,一个我国自有的新的天然气干法脱硫剂诞生了。6 月,我们与长庆局商谈了准备做工业试验,并派出了刚来所工作的博士带领技术人员赴81 号井进行12 万m3/天的现场工业试验,10 吨首批批量生产的3018脱硫剂装车启程了,要与美国的干法脱硫剂一决高低。这段时间我们经历了从无到有、一次次改进、提高、生产放大试验及批量生产。11 月中旬,在长庆油田一次投产完成了工业试验,两个多月的时间里,下厂的同志吃、住都在无定河边的沙漠现场。这些成绩的取得,与研究集体团结攻关的传统团队精神是分不开的。

从课题立项到工业试验完成,为时8 个月,我们就拿出了高硫容的高效“天然气干法脱硫剂”。在当年的全国天然气公司会议上,大连化物所作为唯一的公司外代表,宣布了这一成果。

虽然干法脱硫剂在短时间内研究成功,并工业化,但是更多深入的工作仍摆在我们面前,比如:脱硫反应机理、反应控制步骤、脱硫产物的形态分布的研究、规模化生产的工艺流程的建立以及如何将成果尽快转化为生产力。“九五”期间,3018脱硫剂的应用工程开发作为国家攻关项目,得到了国家科委和中科院的支持。1999年,陕—京输气首期工程于“十五大”前向北京送气,用的就是“3018干法脱硫剂”。就在这次应用中,脱硫剂达到了61% 的工作硫容的好结果,得到了时任中国科学院院长路甬祥通报表扬以及长庆局的好评。紧接着克拉玛依油田60 万m3/天的石油伴生气开工,大庆油田60 万m3/天的天然气脱硫装置开工,接着更多用户找上门来,要求采用这一技术。而开发中更实际的技术问题要我们去解决,3018应用范围也在日益扩展,目前已从天然气脱硫扩展到伴生气、煤制合成气的脱硫,既可用于各种工业气源初脱硫(20mg/m3),也可用于精脱硫(0.1mg/m3)。1994年1 月,中原油田24 万m3/天精脱硫装置已通过验收,烃类产品硫已全部合格。而且,处理费用也较低,以长庆为例,在含硫不太高的情况下,其设备一次投入和运行成本远低于湿法。而我们和美国脱硫剂硫容相比,硫容提高到了4 倍,成本降低了50%~60%。而且,脱硫条件也很温和,脱硫温度5~45℃,脱硫压力不限。3018脱硫剂从制造、使用过程及使用后,均对环境友好,不产生“三废”,是一项绿色脱硫技术。

就这样,我们在干法脱硫剂的研究开发工作开拓了一个新的局面。在我们科研集体里,又完成了一项“敢为天下先”的技术发明。2004年一项羰基硫一步法催化氧化脱硫剂项目又在我们集体里创新成功,经查新未见报道,目前已在工业上使用。

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