《科海撷珠 解读上海获奖科技成果》《科学画报》编辑部|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《科海撷珠 解读上海获奖科技成果》

【作　者】《科学画报》编辑部

【页 数】 218

【出版社】 上海：上海科学技术出版社 , 2021.11

【ISBN号】978-7-5478-5505-8

【价 格】69.00

【分 类】科技成果-介绍-上海

【参考文献】 《科学画报》编辑部. 科海撷珠 解读上海获奖科技成果. 上海：上海科学技术出版社, 2021.11.

图书封面：

图书目录：

《科海撷珠 解读上海获奖科技成果》内容提要：

本书从2017和2018年度上海市牵头完成的荣获国家科学技术奖和上海科学技术奖的重大科技成果中，遴选了50项，利用通俗易懂的方式对其进行科普化宣传报道，让公众更好地理解上海市在科创中心建设过程中所取得的伟大成就，知晓这些高新科技成果所取得的过程，科研人员在其中所做出的贡献等。

《科海撷珠 解读上海获奖科技成果》内容试读

煤代石油，点煤成“金”

中国石化上海石油化工研究院

科

海

“富媒、贫油、少气”是我国能源发展面临的现状，随着经济的快速发展，石

撷

油的供给压力还将继续加大。因此，发展煤代油战略具有十分重要的意义，可以

殊

发挥我国能源结构的优势，减少对石油资源的高度依赖。

经过多年的开拓创新，我国已经开发了煤制油、媒制二甲端、媒制乙一醇和媒制天然气等现代媒化工产品、技术和装备，并目初具规模。其中，高效甲醇制烯烃工艺是最重要的煤化工技术之一，它以煤或天然气合成的甲醇为原料，生产乙烯、丙烯等低碳烯胫，是媒代油战略的核心技术。

2D1旧年1月，中国石化上海石油化工研究院牵头完成的“高效甲醇制烯烃全流

程技术”项目荣获2017年度国家科学技术进步奖一等奖。该顶目开发了用媒替代石油进行烯轻高效生产的全流程技术，使我国成为世界上第一个掌握甲醇制烯胫全流程技术自主知识产权的国家，具有里程碑的意义。

向煤要烯烃

乙烯和丙烯是化学工业的基石，其生产能力通常代表了一个国家的化学工业水平。经由乙烯、丙烯加工制得的产品被广泛应用于农业、汽车、国防、建筑、医疗和日用品等领域，与人们的生活密切相

用于高效甲醇制烯烃工艺的纳米片

关。

晶多级孔SAPO-34分子筛催化剂

那么，乙烯、丙烯是从哪儿来的呢？目前，它们主要是通过石脑油催化裂解得到的，也就是说，生产它们的主要原料是石油。

然而，偏偏我国的能源结构特点是“富煤少油”。根据国际能源署的数据，我国人均石油资源量仅为全球平均水平的18%，原油对外依存度已超过70%;相比而言，我国的煤炭资源十分丰富，储量居全球第三位。

既然如此，能否用煤炭代替石油来生产乙烯和丙烯呢？

科

答案是肯定的。这就是人们常说的“煤制烯烃”，也是煤代油战略的重

海

要技术路线，而甲醇制烯烃(methanol to olefins,以下简称MTO)是其中关键

撷

性的一环。

珠

解决催化剂、反应器、分离工艺的“三高”挑战

简单来说，MTO就是使甲醇在催化剂的作用下，经过多个转化步骤生

成烃类混合物，将这些烃类混合物分离、提纯之后，就得到了目标产物乙烯

2

和丙烯。MTO技术发展的重大技术挑战有“三高”：一是催化剂的选择性要

高，要让最后得到的产物中尽可能含有更多的乙烯和丙烯，含有更少的副产物：二是流化床反应工程与工艺的时空收率要高，要在单位时间、单位空间内生产尽可能多的低碳烯烃；三是烯烃分离工艺的回收率要高，要把好不容易制备得到的乙烯和丙烯尽可能彻底地分离出来。

总体来看，这里面需要解决的问题主要有催化剂的问题、反应器的问

题、分离工艺的问题。其中，通过催化剂的研究来实现高选择性是MTO技术

研究开发的重点。

目前广泛使用的MT0催化剂是SAP0-34分子筛，这一催化剂具有硅铝

磷酸盐骨架和三维交叉孔道，其内部的酸性位就是MTO反应的催化活性中

心，它在MTO反应中对低碳烯烃具有良好的选择性。尽管SAPO-34分子筛

被公认为是最适合MTO反应的催化剂，它仍然存在优化的空间。例如：通过

添加金属成分可以改变分子筛的酸性强弱，从而显著影响烯烃的生成：改变孔道大小也可以提高其对乙烯和丙烯的选择性，因为小孔道会限制大分

子的扩散，而低碳烯烃作为分子量较小的小分子，选择性自然就提高了。

一些国际知名石化公司长期以来开展MTO催化剂方面的技术开发，并

获得了一定的进展。在国外优秀创新成果的基础上，中国石化MTO项目团队

率先创制了纳米片晶多级孔SAP0-34分子筛。这种分子筛具有独特的片状

多级孔结构，能有效地促进扩散，是一种高性能的MTO催化剂。利用这种

新型催化剂，乙烯和丙烯的碳基选择性提高到了81%以上，这个数字意味着：在最终的烃类产物中，乙烯和丙烯占到了81%以上，其他烃类只占不到

科

19%。

海

SAPO-34分子筛催化MTO反应时，会出现催化剂积碳失活的问题，也

撷

珠

就是说.随着反应的进行，产生的积碳慢慢积累附着在催化剂上，使催化剂反应活性大幅下降。积碳的形成机理众说纷纭，其组成也因反应体系、催

化剂、反应条件的差异而有所不同，但不管积碳是怎么来的，它的组分是什么，一旦它覆盖了催化剂的活性位或者堵塞了催化剂的孔道，催化剂就会失

83

活，必须要进行“再生”操作才能继续发挥作用

MTO的工艺流程采用的都是流化床反应器。流化床反应器，顾名思义，

就是说催化剂床层在反应器中是“流动”的状态。MTO催化剂明明是固体，

它怎么会“流动”起来呢？这是因为，作为反应原料的甲醇是以气体形式通入反应器的，气相的高速流动使催化剂床层翻滚、搅动，使其像沸腾的液体样。所以，流化床反应器可以实现固体物料的连续输入和输出，便于进行

催化剂的连续再生和循环操作，特别适合TO这种易发生催化剂失活的反

应过程。

项目团队根据流化床反应器的

工艺特点，结合反应动力学特征和催

化剂的性能，首次开发出MTO快速流

化床反应-再生技术，反应器的直径减小了1/3，反应的时空收率提高了2倍，使反应效率大幅度提升：创新开

高效甲醇制烯烃全流程装置

发了顺流两段再生技术，实现了催化剂积碳的精准控制，积碳量变化幅度可控制在±0.2%以内。

在分离工艺方面，项目团队首创了高效MTO烯烃分离全新工艺，设计开

发了前脱乙烷、C4烃回收乙烯、含氧化合物脱除等多项关键技术和分离工

艺，使乙烯、丙烯产品回收率均达99.98%以上。

科

完成科学研究、实验开发、推广应用的三级跳

海

目前，该项目已获授权中国发明专利260件、授权国际发明专利23件，

撷

发表$CI论文21篇：获中国石化科技进步奖特等奖、上海市技术发明奖一

来

等奖、国家科技进步奖一等奖。项目首次提出并证实了“烯烃活性中心”的

TO烃池反应新概念，率先发明了片状多级孔催化材料，创新开发了反应-

再生系统催化剂细粉高效脱除技术，首次实现了MTO工艺与石脑油蒸汽裂

解工艺的集成，这些成果在产业界和学术界都产生了重大影响

4

习近平总书记曾指出：“科技创新绝不仅仅是实验室里的研究，而是必须将科技创新成果转化为推动经济社会发展的现实动力。”项目团队一直以此为目标，在科研成果应用的道路上孜孜不倦，奋斗不息。

2007年，中国石化催化剂有限公司采用上海石油化工研究院的MT0催

化剂技术进行扩试和生产，至今已经累计生产催化剂数千吨，效益显著。

2010年8月，中原石化60万吨/年工业装置采用高效甲醇制烯烃全流程成套技术开工建设。2011年10月，装置投料开车一次成功，并于7小时后取得了合格的乙烯、丙烯产品，标定结果显示，总体技术指标达到国际领先水平。2016年10月，中天合创360万吨/年高效甲醇制烯烃全流程技术装置在内

蒙古建成投产，这是全球最大的MTO装置。

目前，高效甲醇制烯烃全流程技术已在中原石化、中天合创、中安联合煤化等国内多家公司进行应用，并获得国内外多家公司的认可。实践表明：

我国自主开发、设计、制造、建设、运行的高效甲醇制烯烃全流程技术大型工业装置达到了国际领先水平，实现了“世界领跑”。

打造最有动力的动力电池

顾淼飞

科

海

在整个动力电池市场，磷酸铁锂动力电池的占比已经达到50%以上，全球使

撷

用磷酸铁锂动力电池的电动车和混合电动车的总销量已经突破10口万。除了电动

珠

汽车，磷酸铁锂动力电池在智能电网、核电储能系统、移动通信基站中的应用也在逐步推进。在中国，以比亚迪为代表的磷酸铁锂生产企业已经成为全球最大的磷酸铁锂材料生产商，中国也成为磷酸铁锂动力电池制造和应用的头号大国。

寻找正极材料的最佳合成路线

正极材料是动力型锂电池的基石。过去几十年间涌现出来的正极材料层出不穷，然而，真正得到工业化应用的只有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等寥寥几种。在这些正极材料中，磷酸铁锂有着自己独一无二的优点。

最不可替代的优势是成本优势。组成磷酸铁锂的铁元素和磷元素储量丰富，资源易得且价格低廉，相比之下，其他几种正极材料中含有的镍、钴等都是稀有昂贵的有色金属。另外，磷酸铁锂的能量密度很高，安全性、循环寿命、容量稳定性等性能都很好。可以说，磷酸铁锂是国际公认的可持续发展的动力型锂电池正极材料。

然而，要实现磷酸铁锂的大规模应用，必须建立吨级生产能力的制造工艺与装置。虽然历经几十年的研究，国际上已经开发出许多不同的合成路线，但是它们大多存在烧结时间长、能耗大、产生污染性气体等不足。

怎样用绿色、经济的方式来合成磷酸铁锂呢？

上海交通大学马紫峰教授团队提出了一种单质铁原子经济性磷酸铁

锂合成反应的路线(Fe+2FeP0,+Li,P0,·0.5H,O→3 LiFeP04+0.5H,0)。这

种新型合成路线的反应物是铁、磷酸铁和水合磷酸锂，原料中的所有原子

最大限度地转移到了目标产物磷酸铁锂中，从原子经济性上来说是非常划算的：同时，这一合成路线的反应产物只有磷酸铁锂和水，不会排放一氧化

科

碳、氨气、氮氧化物等污染性气体。

海

撷

电池化学体系的整体设计

珠

如果说正极材料是动力型锂电池的“主角”，那么，负极材料和电解液虽说是“配角”，却也是戏份重要的“黄金配角”。它们都对电池的性能有着

显著影响

举个例子，我们都有这样的体验：手机在寒冷的天气里很快就会没电.

6

开机也很缓慢：电动汽车也一样，在寒冷的环境下很容易遇到无法正常工作

的麻烦。所以，性能优异的电池必须解决低温冷启动的问题。锂电池的低温性能仅靠改进磷酸铁锂正极材料是不够的，还要对电池的整个化学体系进行设计，包括负极和电解液的选择、制造方法的设计和工艺优化等。换句话说，用什么材料制备，怎么制备，在什么条件下制备，都会影响电池的低温性能。

马紫峰团队发明了一种电解液配制及涂覆的方法，从而制备得到具有超高倍率和超长循环寿命的纳米磷酸铁锂动力电池，这种方法也能够改善整个电池的低温性能，解决低温冷启动的问题。

2004年以来，马紫峰团队联合比亚迪、中聚电池、江苏乐能等企业，构建起具有自主知识产权的磷酸铁锂动力电池技术体系，使其在新能源汽车和储能系统中得到广泛应用。团队还与比亚迪合作，开展磷酸铁锂电池储能系统低成本化的关键技术研究，使磷酸铁锂电池的应用领域从新能源汽车拓展到智能电网储能系统。2016年，由马紫峰担任首席专家的江苏乐

···试读结束···