“传统煤化工项目面临巨大减排压力，开发短流程、低水耗的合成气直接转化制低碳烯烃技术成为重大研究前沿课题。中国石化重点科研项目STO中试装置的成功开车，标志着合成气直接转化制低碳烯烃技术向工业化迈进了重要的一步。”

低碳烯烃是石化行业最重要的化工产品及合成材料单体，在国民经济中占据举足轻重的地位。近年来，我国煤化工发展迅速，煤制低碳烯烃技术作为烯烃生产重要路线之一快速崛起，在国内烯烃产能中已占据不可忽视的比重。从国内装置运转情况来看，目前广泛工业化的煤经甲醇间接制烯烃的工艺在煤炭资源大省具有竞争优势。但随着“双碳”战略目标的持续推进，传统煤化工项目面临巨大减排压力，开发短流程、低水耗的合成气直接转化制低碳烯烃技术成为重大前沿研究课题。

合成气直接转化制低碳烯烃的技术路线及特点

目前已有的合成气直接转化制低碳烯烃的技术路线主要包括两种：基于单一Fe（铁）、Co（钴）基催化剂的费托合成制低碳烯烃技术（FTO）和基于氧化物-分子筛的耦合转化制低碳烯烃技术（STO）。

费托合成制低碳烯烃技术（FTO）：费托（F-T）反应由德国科学家费舍尔（Fischer）和托普希（Tropsch）于20世纪20年代发现并提出。采用合适的费托催化剂，合成气可经由CO（一氧化碳）活化及碳链增长步骤高效转化为含不同碳原子数目的链式烃类。其中，费托合成油已实现工业应用，但反应产物需要更精确控制的费托合成制低碳烯烃技术的开发则相对滞后。导致这一情况的原因主要是，受反应机理限制，费托反应产物近似遵循Anderson-Schulz-Flory（ASF）分布，低碳烃（包含烯烃和烷烃）的选择性很难突破58%，并且甲烷选择性也高达30%。

近几十年来，各国研究者对Fe（铁）、Co（钴）、Ni（镍）、Ru（钌）等金属或金属碳化物类型的费托催化剂进行了广泛的筛选和优化以改善上述缺陷，在Fe基和Co基FTO催化剂的开发方面取得了一些可喜的进展。2012年，Cl化学领域的国际知名教授deJong团队合成了一种铁基费托合成催化剂，此种催化剂将碳化铁纳米颗粒负载在α-Al₂O₃上，并进一步采用Na和S进行改性。在340摄氏度催化CO转化为C₂-C₄烯烃选择性达到了61%，成功突破ASF的限制，为铁基费托合成催化剂的研发提供了借鉴。

2016年，中国科学院上海高等研究院（以下简称“高研院”）孙予罕、钟良枢团队发现，暴露（O2O）及（1O1）晶面的Co₂C纳米棱柱结构对合成气转化具有异乎寻常的催化性能。该催化剂在250摄氏度反应条件下可高选择性直接制烯烃，CO转化率31.8%，甲烷选择性可低至5%，C₂-C₄烯烃选择性能够达到61%，催化剂具有良好的稳定性，反应600小时仍未出现明显失活。基于上述研究成果，高研院团队积极推进FTO中试，与产业集团共建的5000吨/年FTO中试装置已有试运行报道。

尽管FTO技术近年来取得了显著进展，但其低碳烯烃选择性仍普遍低于65%，相对分散的产物分布给后续分离工艺及下游产品加工利用带来了挑战，也使其技术经济性充满变数。

氧化物-分子筛耦合转化制低碳烯烃技术（STO）：2016年，中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）包信和、潘秀莲团队在Science期刊首次提出将金属氧化物和分子筛组成的双功能催化体系（ZnCrOxSAPO-34）用于合成气直接转化制低碳烯烃。该体系下，在CO转化率为17%时，低碳烯烃的选择性高达80%，低碳总烃（烯烃+烷烃）选择性为94%，同时，甲烷和C5+烃类的选择性均在极低的水平。该策略的成功得益于反应物活化和产物生成两个活性中心的有效分离：CO活化在氧化物上进行，分子筛的孔道的限域作用能够精确调控C-C键链增长——耦合体系的协同作用显著提高了低碳烯烃的选择性，突破了费托合成低碳烃选择性难以逾越的58%理论极限。基于该技术，大连化物所团队与延长石油合作，于2020年9月完成了千吨级工业试验，CO单程转化率超50%，低碳烯烃选择性大于75%。

近年来，此领域蓬勃发展，多种氧化物-分子筛体系均有报道，并且通过改变分子筛拓扑结构可实现低碳烯烃产物分布的进一步优化，如MOR和SAPO-17可分别高选择性地制备乙烯或者C_2-3烯烃。

中国石化合成气直接转化制烯烃技术研发与应用实践

中石化（上海）石油化工研究院有限公司（以下简称“上海院”）自2015年开始致力于合成气直接转化制烯烃耦合催化新工艺的研发工作。基于合成气转化的耦合催化特征，上海院提出了“耦合拉动因子”和“产物烯烷比（O/P）”新概念，为描述Cl中间体“生成-传递-转化”时空路径、创制高性能催化剂提供系统策略。基于该策略开发的“AlPO-18分子筛”和“非计量比尖晶石氧化物”耦合的新型双功能催化体系破解了其他耦合催化体系表现出的转化率和选择性难以兼顾的跷跷板“trade-off”效应难题，实现了高CO转化率和高烯烃选择性。相关研究成果在Nature Communications、ACS Catalysis、Cell Reports Physical Science等国际著名学术期刊发表，形成了重要学术影响。

为将上述基础研究成果进一步推向产业化，在中国石化集团公司的大力支持下，上海院与扬子石化、工程建设公司协同合作，开展百吨级STO中试研究，着力解决催化剂放大生产、中试性能验证、催化反应工程技术、大型化工工艺开发面临的一系列工程技术难题。2023年3月15日，中试装置投料一次成功，装置连续稳定运行1000小时，CO转化率和低碳烯烃选择性指标优异（CO单程转化率超60%，低碳烯烃选择性大于80%）。

在此基础上，上海院开发了新一代高时空收率耦合催化剂，时空收率相较上一代催化剂提升50%以上。目前，围绕新一代催化剂，正在开展STO二期中试，以其为核心的成套技术工艺包设计也正在积极推进中。

STO技术的挑战与展望

尽管STO技术为非石油路线高效制备低碳烯烃提供了新的解决方案，但其工业化进程仍充满挑战。

在合成气间接法制低碳烯烃路线中，所涉及的主要单元——甲醇合成及甲醇制烯烃（MTO），其产品和原料均分别为气液两态，分离流程相对简单。作为上述间接法的替代路线，STO工艺虽然缩短了工艺流程，但其原料和产物均为气态，反应器出口组成复杂，包括未转化的合成气、产物二氧化碳和有机烃类，在产品分离（尤其是烯烃和烷烃）和未转化的反应物循环方面仍需要进行更多考量。

此外，不同于间接法路线以乙烯和丙烯为主要产品，STO的烯烃产品主要集中于丙烯和丁烯，因此也需要探索一条不同于MTO的产品加工路线。以上两方面是STO技术能否成功工业落地的关键所在。

中国石化重点科研项目STO中试装置的成功开车，标志着合成气直接转化制低碳烯烃技术向工业化迈进了重要的一步。中国石化STO技术开发团队将面向国家需求和集团公司需求，加快推进STO的全流程工艺设计，完善技术经济性分析，力争建成全球首套工业示范装置，推动现代煤化工产业低碳化、高端化发展。