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刘中民院士:能源化工四十载 催得“乌金”变“绿能”

发布日期:2022-09-23 13:33   来源:未知   阅读:

  “富煤少油”是我国的资源禀赋,煤化工生产过程技术水平高,工艺流程复杂,以煤炭为原料生产甲醇,再经分离生产出聚合级乙烯和丙烯是世界级难题。而催化剂就像“神奇药水”,可以把别称“乌金”的煤炭点化成乙烯和丙烯。

  深耕能源化工科研领域近四十个春秋的中国工程院院士、中国科学院大连化学物理研究所(下称“大连化物所”)所长刘中民就是发明“神奇药水”的“魔术师”。

  回望来路,刘中民带领科研团队研发的煤经甲醇制取低碳烯烃(DMTO)成套工业化技术,开辟了非石油资源生产低碳烯烃的新路线,实现了世界上煤制烯烃工业化零的突破;对实现煤炭资源清洁高效利用、缓解石油资源供应紧张局面、保障能源安全具有重大意义,为国家创造了数千亿元规模的战略新兴产业。该项技术获得2014年度国家技术发明奖一等奖。

  展望未来,刘中民根据国家“双碳”目标需要,继续积极承担起能源科研与推动区域能源转型发展的重任。

  大连化物所位于渤海的星海湾上,潮落潮起,过去与现实在这里激荡。80年代初,刘中民进入大连化物所读研究生,并跟随导师的步伐迈入了煤炭经甲醇制烯烃的研究。

  上世纪70年代,世界性的两次石油危机使油价大幅攀升,石油价格一度推高到相当于现在的200美金,塑料等产品制造成本随之攀升,包括美国在内的发达国家考虑以煤炭取代石油和石化产品,并启动了以煤经甲醇制烯烃的科技攻关计划。

  彼时大连化物所注意到国际这一研究动态后,经研判认为,我国石油资源短缺,原油依靠进口,从长远看,石油替代技术的战略意义重大。于是,大连化物所坚定了研究“煤代油”技术的选择。

  “当时我作为研究生,只是跟随导师完成科研任务,后来了解得多了,逐渐明白,煤代油对我国战略意义的重要性。”刘中民回忆,当时自己的心态很复杂。“一方面希望自己参与研究的技术能被国家用上,另一方面也明白,一旦国家能用上这项技术,就说明石油可能不够了。”

  煤经甲醇制烯烃,也就是先用煤制甲醇,然后用甲醇制取烯烃。但甲醇制烯烃技术,却一直没有被突破。这一世界性难题的突破和产业化,凝结了大连化物所四代科研人员近30年的长跑接力。刘中民所在团队自主研发的甲醇制烯烃技术,工艺技术代号为DMTO。

  1990年年底,博士毕业不久的刘中民就被任命为研究团队的副组长,接过了接力棒,成为第三代主力。他博士毕业第二年,国家启动了“八五”科技计划,大连化物所研究员蔡光宇牵头申报成功了“合成气制低碳烯烃”项目,其中一个课题是“合成气经由二甲醚制取低碳烯烃”。年轻的刘中民有了牵头参与国家“八五”重点科技攻关项目的机会。

  1996年,刘中民牵头负责的“合成气经由二甲醚制取低碳烯烃新工艺方法”获中国科学院科技进步特等奖。

  2015年1月9日,国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂举行。大连化物所甲醇制取低碳烯烃(DMTO)技术荣获国家技术发明一等奖。

  “这是国家对煤化工方向认可、对我们取得技术进展的认可,这么好的技术,我们必须坚持做下去。”刘中民语调中难掩激动。

  经过多年的努力,刘中民带领团队在煤炭经甲醇制烯烃技术上取得多项突破并实现产业化,对保障我国能源安全、煤炭清洁化利用等具有重要的战略意义。

  1997年,原油价格跌至10美元左右每桶,与石油制烯烃相比,煤炭制烯烃的工艺成本太高,国家和企业对“煤代油”生产烯烃项目的积极性也不高,刘中民的科研团队随之陷入了经费困境。

  他不得不四处寻找实验经费,柳暗花明之时出现在1998年。时任中科院院长的路甬祥院士到大连化物所考察,刘中民借机将准备好的报告递到了路甬祥手里,表达希望跟中科院“借钱”研究该项技术。不久,刘中民团队等来了中科院决定资助100万元经费通知。

  “在90年代,万元户都不得了,100万能干很多事啊!”这一笔经费让刘中民团队对甲醇制烯烃基础研究做得更扎实,对技术关键环节进一步改进和提高。

  “科研成果出来后,不能躺在抽屉里睡大觉。”刘中民强调。甲醇制烯烃技术要实现工业化应用,需要进行万吨级工业性试验。

  2004年,煤炭大省陕西抛来了“橄榄枝”,希望凭借丰富的煤炭资源,与大连化物所、中石化洛阳石化工程公司合作开展甲醇制烯烃工业性试验。当年8月,年处理甲醇能力1.67万吨的DMTO工业化试验装置在陕西省华县开工。刘中民团队在华县化工厂安营扎寨,开始了700多天的大型试验装置建设。

  “没钱的时候总想干大事,真有大事干的时候,压力还是很大的。华县大型试验装置项目总投资超过8000万元,之前并未负责过如此大体量项目”。刘中民向记者表示。“但我并不担心技术,在大连好用的催化剂,不信拉到陕西就不能用了。”从技术角度,刘中民很有底气。

  虽然对技术充满信心,但DMTO技术从实验室走向工业化,放进超过10层楼高的装置中,并不是简单“放大”就可以的。

  刘中民最操心的是安全和环保问题。“大型工业化试验装置不像在实验室里操作相对灵活。装置越大,操作范围越窄,受制约因素越多,必须精准操作。就像一辆精密的汽车一样,少个螺丝可能就跑不了。”刘中民每天都到现场和操作人员、技术人员一起观察试验运行情况,发现并及时解决问题,历时8个多月。

  2006年,DMTO工业性试验宣告成功,日转化甲醇75吨,而国外类似装置一天转化还不到1吨。业界鉴定,该工业试验装置为世界上第一套万吨级甲醇制烯烃的工业化试验装置,规模和技术指标世界领先。

  试验成功,引起了国家发展改革委的高度关注。2006年,国家发展改革委核准中国神华集团获得大连化物所技术许可、在内蒙古包头投资建设的DMTO项目。

  当时,神华集团的项目从前端的煤气化、净化,到后端的聚乙烯、聚丙烯,用的都是国外成熟的技术。只有DMTO这一段采用的是国产技术,而且是首次工业化的技术。很多人并不看好DMTO首次工业化尝试,一旦失败,150多亿的投资就将打水漂,刘中民团队压力极大。

  “神华集团领导很有魄力,敢为人先,很感激他们对国产化技术的支持。”有了陕西省华县大型试验装置建设的经验,刘中民带队转战包头,投入到世界首套DMTO工业示范装置的建设中。

  2010年8月8日,该装置一次开车成功并稳定运转;2011年1月起正式进入商业化运营阶段。我国率先实现了甲醇制烯烃核心技术及工业应用“零”的突破。

  “在包头现场的庆祝会上,大家脸上写满了兴奋与幸福,不少同事的眼泪哗哗地流,我理解这眼泪背后的艰辛。当然也很欣慰,终于将技术的接力棒传到了中国煤制烯烃产业化的起跑线上。”刘中民回忆道。

  神华包头DMTO项目不只是产业大事,更具战略意义:标志着我国已从单纯依靠石油制烯烃的石化工业的单一模式,迈入包括有煤炭经甲醇制烯烃的煤化、石化并举的工业生产模式。这项成果对我国实施石油替代战略、走经济可持续发展道路和能源安全都具有重大意义。

  技术想要保持领先地位,就必须不断进步。2014年,大连化物所研发推出的第二代DMTO技术,当年,DMTO有5套工业装置成功开车运行,分别在陕西、宁夏、山东等化工大省投运;2020年,大连化物所对该技术进行持续创新,研制了新一代甲醇制烯烃催化剂,第三代甲醇制烯烃(DMTO-Ⅲ)技术在通过了科技成果鉴定,吨烯烃甲醇单耗较使用前的3吨左右有显著降低,达到2.60—2.70吨,刷新行业纪录,每年可为用户企业增收上亿元。

  凭借开创并引领了煤制烯烃战略性新兴产业、实现煤炭资源清洁高效利用的重大贡献。 2019年,刘中民在中国能源产业发展年会上获评“能源·功勋人物”殊荣。

  面对记者极其简单的问题,刘中民认真地回答:“最近一直研究煤化工和石油化工耦合的新技术,推动二者协调发展;作为所长,我在思考如何调整大连化物所的学科方向,将研究重点从化工转向能源;作为牵头负责人,我还在抓紧组织实施中科院A类战略性先导科技专项‘变革性洁净能源关键技术与示范’……”

  刘中民介绍说,与生产生活息息相关的烯烃等化工品的绝对量和需求量都在大幅度增加。煤化工的根本目标是满足社会发展基本需求。

  “我们国家以煤为主的化石资源结构,决定了煤炭、煤化工还要扮演重要的角色。‘十四五’时期是我国‘双碳’目标实现的初期阶段,首先应该用好化石资源,特别是煤炭资源,坚持煤炭清洁高效利用道路。”刘中民向记者强调。碳中和不是说不再有二氧化碳排放,而是排放与吸收达到一种平衡,我们不能从一个极端走到另外一个极端。”煤本身并不是污染,特别是与可再生能源、绿氢、绿电结合,煤炭就不再是一个高碳产业,并且煤化工还将迎来新的热潮。

  工信部等六部门6月29日印发的《工业能效提升行动计划》提出加快推进煤炭利用高效化、清洁化,有序推动煤炭减量替代,推进煤炭向清洁燃料、优质原料和高质材料转变。近半年来国家部委发布的《“十四五“节能减排综合工作方案》《工业能效提升行动计划》《黄河流域生态环境保护规划》等多项文件均强调要抓好煤炭清洁高效利用。

  煤炭支撑我国经济和社会发展,保障能源安全的压舱石、稳定器作用,但在刘中民看来,仅仅依靠煤化工行业自身的技术进步和效率提升实现低碳清洁发展仍然面临一些挑战。

  对此,刘中民表示,实现碳中和目标,各个领域不仅要突破诸多关键技术门槛,还要破除各类能源之间的壁垒。跨领域、系统化布局不仅有巨大的创新空间,还会产生巨大的总体节能减排效果。多能融合的新型能源体系将提高能源储备和保障能力,保障我国能源产业链、供应链的安全和稳定。

  作为全国政协委员,2021年,刘中民围绕跨领域多能融合技术积极建言献策,联合其他委员提出的《关于跨领域建立碳中和重大科技专项的提案》获评全国政协年度好提案。他在提案中建议,在国家层面设立跨领域综合交叉的碳中和重大科技专项,发挥国家体制优势,超越领域限制,突破关键核心技术,加快形成全面支撑我国实现“双碳”目标的技术体系,推动我国能源体系及工业结构全面升级。

  刘中民介绍,我国能源转型与发展越来越重视科技创新的作用。www.000870.com今年4月印发的《“十四五”能源领域科技创新规划》首次由国家能源局与科技部共同编制,“协同创新,形成合力”的原则最为突出。

  大连化物所位于辽宁半岛,作为大连化物所的负责人,刘中民表示:“我工作的单位虽然是中国科学院的研究所,从事的工作与国家需要紧密结合,但也不可能脱离区域发展的实际。所以,大连化物所将助力东北全面振兴作为义不容辞的责任,也从未停下服务东北地区经济社会发展的脚步。”

  今年6月,全球最大的液流电池储能电站——大连液流电池储能调峰电站实现并网和电池充电,即将在今年8月份投入商业运行。该电站是国家能源局批复的首个100MW级大型电化学储能国家示范项目,采用了大连化物所自主研发的全钒液流电池储能技术,将对缓解大连市乃至辽宁省电网调峰压力、提高大连南部地区供电可靠性、加快新能源发展发挥重要作用。

  这是大连化物所科研成果产业化落地,并助力东北地区能源转型、经济发展的一个缩影。

  刘中民和团队最近正在协助政府研究制定大连低碳化发展路径分析的战略咨询报告,以及辽宁省能源结构转型、低碳化发展战略研究。“大连化物所与省里、市里形成了非常好的对接机制,并经常交流,我们会提出针对性的建议,同时尽量将适合的先进技术优先用到辽宁、用到大连,希望对东北振兴作出一些贡献。”

  中科院是战略科技力的“国家队”,在中科院研究所工作的刘中民亦心系“国家事”、肩扛“国家责”。2019年,大连化物所联合中科院内部能源领域优势力量,牵头组建了中国科学院洁净能源创新研究院,刘中民任院长。

  能源产业是非常系统的工程,详细而复杂。他告诉记者,洁净能源创新研究院成立的目的就是希望能源科研力量联合起来,发挥集团军的作用与国家的体制机制的优势,让各专业特长的科研人员优势互补,合力出成果。

  近年来,洁净能源创新院在陕西、山东等典型化工产业富集地区统筹部署多能融合相关技术先行先试,促进技术迭代,积累经验。

  “榆林煤炭、石油、风光等多种能源丰富,有化石能源和可再生能源耦合、多能融合的良好基础。在能耗双控的约束下,以榆林为代表的能源资源丰富地区如何发挥优势、低碳发展,是亟需破解的问题。”刘中民表示,若探索出一条适合榆林的低碳化发展路子,将对其他地区有典型的示范意义。

  为了探索资源丰富地区多能融合的合适路径,洁净能源创新研究院与榆林市人民政府进行了深度合作,成立了榆林中科洁净能源创新研究院,预计今年7月中旬建成投运,首批入驻科研人员87名。

  从黄河中游的榆林,再来看下游的山东,这里工业门类最全,是能源生产和消费大省。刘中民担任中科院青岛生物能源与过程研究所所长,时时牵挂着山东省的能源转型问题。2021年1月,山东能源研究院正式成立,刘中民受聘为院长,带领团队致力于开展洁净能源科技基础性、前瞻性和重大关键技术的创新研究,服务山东能源高质量转型发展。

  为更好地服务国家“双碳”目标,适应多能融合技术的发展趋势,刘中民正在分析调整大连化物所的学科方向,将研究重点从化工转向能源,“既要保持原来的特点和优势,又要把短板补上,更好地为国家服务。这是我作为所长的应尽之责。”

  此外,作为专项负责人,刘中民正紧锣密鼓地组织实施中科院A类战略性先导科技专项“变革性洁净能源关键技术与示范”。他介绍,该专项有20多个研究所的科研人员参与,目前已经突破了55项关键技术,落实了接近30个工厂的合同,带动投资1500亿。

  “科研的目标是务实报国,也是我的价值目标和精神支撑。”采访结束时,刘中民向记者表达了自身作为一个科研人士的价值观。

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