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工程院院士刘中民:带领团队实现世界上煤制烯烃工业化零突破

作者:1180发布时间:2023-07-24
   30多年前,刘中民在前辈手中接过了一根接力棒——煤制烯烃技术。

  经过中国科学院大连化学物理研究所几代科研人员近40年的长跑接力,这一世界性难题最终有了答案。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。

  刘中民如此形容道,“就像接力赛跑一样,导师把接力棒传给我,他对我们寄予了厚望。作为烯烃接力棒的传承人,我要带领一群年轻人,继续跑下去。”

  除煤制烯烃技术外,刘中民还带领团队成功研发煤基乙醇成套技术,点煤成“酒”,开创“不与人争粮”新局面。

  除了科研人员这一身份外,刘中民也是身兼数职:中国工程院院士,中国科学院大连化学物理研究所所长、研究员、博士生导师、甲醇制烯烃国家工程实验室主任……虽然有着多重身份,但刘中民认为,作为一名科研工作者是他职业生涯中最幸福的事情。

  今年,刘中民被评选为“2022年最美科技工作者”。他坦言道,“我个人担不起这样的名声,哪敢说自己‘最美’呢。我就是众多科技工作者中的一员而已,还是要踏踏实实的做工作。”

  刘中民中国工程院院士,中国科学院大连化学物理研究所所长、研究员、博士生导师、甲醇制烯烃国家工程实验室主任,获评“2022年最美科技工作者”。

  甲醇制烯烃的“魔术师”

  上个世纪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。90年代初,他被分配到甲醇制烯烃(MTO)攻关项目。

  对于大多数人而言,烯烃听起来很陌生,但它其实离我们的生活并不远,它就是塑料的原料。一切有塑料的地方,大都有烯烃的存在。

  不过,传统的烯烃生产技术高度依赖石油资源。但经历70年代的两次石油危机后,油价大幅攀升,不少国家开始未雨绸缪,寻找其他物质原料替代石油;除了“外患”的因素,我国“富煤、贫油、少气”的资源能源禀赋,也让国内的研究机构将视野转向“煤”,开始探索以煤经甲醇制烯烃为主的科技攻关计划。彼时,刘中民所在的大连化物所承担了煤经甲醇制取低碳烯烃(MTO)研究工作。

  煤制烯烃要分“两步走”,第一步是以煤为原料合成甲醇,第二步是通过甲醇制取烯烃。刘中民介绍,“当时煤合成甲醇已经有了成熟的工业技术,而甲醇制烯烃则是待攻克的关键核心技术,也是世界范围内极具挑战性的课题。”

  功夫不负有心人。经过几代人的心血,无数次的实验,1995年,刘中民带领研究团队完成了“合成气经由二甲醚制取烯烃工艺”技术年产60吨烯烃的中试试验,次年这一成果获得了中国科学院科技进步奖特等奖,以及原国家计委、国家科委与财政部联合颁发的“八五”重大科技成果奖。

  在团队正庆幸于破解了技术难题时,一盆冷水却当头浇下:国际油价大幅下跌,煤制烯烃技术没有经济账可算,没有企业愿意投入,没有经费如何继续项目成了团队另一座待翻越的大山。

  为此,除了埋头继续研究,刘中民不得不带着策划案,四处寻访投资以支持这一科研项目的延续。1998年,时任中国科学院院长的路甬祥到大连化物所考察,刘中民瞅准时机,将准备好的报告递到路甬祥手中,希望可以“借钱”继续攻克这项技术。不久,刘中民团队等来了中国科学院100万元的特批科研经费。靠着这笔“救命钱”,刘中民团队进一步研究了甲醇制烯烃过程的反应机理,并在基础研究成果的指导下不断完善工艺技术。

  2004年,国际油价回升,甲醇制烯烃技术崭露头角。

  陕西省率先抛出“橄榄枝”,决定与大连化物所合作开展甲醇制烯烃工业性试验。当年8月,陕西省总投资8610万元、年处理甲醇能力1.67万吨的工业性试验装置,在陕西省华县开工建设。刘中民团队在华县的一家化工厂安营扎寨,开始了至关重要的工业性试验。

  “8000多万啊,之前从没见过这么大的项目。”刘中民说,回忆起那时,真的是成宿的睡不着,有时就算想睡也没时间。“我不担心我们技术不过关,更担心的是安全问题、环保问题。”刘中民告诉记者。

  那时他也经常会焦虑,如果最后做砸了怎么办?他笑称,“那我估计都不好意思在国内学术界混了。”回忆起那时候的心酸,如今早已是坦然,成了口头上的调侃。

  幸运的是,这些担忧并未成真。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。

  如今,DMTO系列技术已经签订了31套装置的技术实施许可合同,烯烃产能达2025万吨/年。

  把煤变乙醇的“点金手”

  攻克甲醇制烯烃技术后,他又将目光投向了乙醇。

  2010年,刘中民带领研究团队在一条全新的“赛道”上,开始煤制乙醇技术攻坚。

  “食盐、醋、酒是目前为止人类文明最认可的化学品。”刘中民说,乙醇就是酒的主要成分。传统乙醇生产技术主要以粮食为原料进行发酵。目前,全世界乙醇产量约一亿吨,主要由美国和巴西等国家利用粮食或甘蔗等生物原料生产。

  当前我国乙醇缺口较大。2017年,国家发改委等十五部委印发方案提出,到2020年实现乙醇汽油全国基本覆盖的目标。但目前国内汽油用量约为1.3亿吨,按照10%的添加比例计算,要在2020年实现全国基本覆盖,燃料乙醇的需求量约为1200万吨,但当前我国燃料乙醇生产能力300多万吨/年,缺口近1000万吨。

  “粮食显然是排在第一位的,要先保障吃饭,我们不太可能拿很多粮食提取乙醇来供汽车使用。”刘中民说。

  如何补上乙醇缺口,又不与人争粮,保证粮食安全?

  刘中民说,从发展的角度来看,用秸秆纤维素制乙醇是一个重要方向,尽管该技术取得了一些进展,但由于经济性问题,目前还处于研发阶段。于是,团队另辟蹊径,经过多年研究,探索出一条环境友好的全新工艺路线——以煤基合成气为原料,经二甲醚羰基化、加氢合成乙醇。

  值得一提的是,煤基乙醇的成本(大型化后全成本)约3500元/吨,远低于粮食制乙醇的5000元/吨。

  如今,这一技术也实现了工业化投产。2012年,中国科学院大连化物所和延长石油集团开始联合开展“合成气制乙醇整套工艺技术”项目研发工作。2017年3月,采用大连化物所和陕西延长石油集团共同研发的、具有我国自主知识产权技术的煤基乙醇工业化项目——陕西延长石油集团10万吨/年合成气制乙醇工业示范项目打通全流程,生产出合格的无水乙醇,主要技术指标达到国际领先水平。

  刘中民说,前段时间,大连化物所的战略合作伙伴延长石油集团董事长带队来到所里,大家总结了前期合作经验,讨论了项目部署和成果转化落地的新想法。比如双方合作的项目很多,有些达到了预期目标,而有些并没有最终投入应用,项目为何有这么大的差别,如何提高效率等。

  在采访中,刘中民也分享了科技成果转化的看法。他表示,真成果、好成果转化并不难,普遍认为难是因为能够直接应用的好成果太少了。“假成果能转化吗?”他反问道。

  煤炭清洁利用的“推动者”

  今年,刘中民又有了一个新身份:国家碳中和科技专家委员会组长。

  当前世界正处于高碳向低碳、无碳化过渡的关键期。近几年,刘中民一直密切关注着我国能源转型、低碳发展,协助中国科学院、科技部开展多项“双碳”路线战略研究。

  今年全国两会期间,连任全国政协委员的刘中民也提交了多份与能源、双碳、科技创新等相关的提案,内容包括推进能源国际合作、利用多能融合构建新型能源体系等。

  刘中民坦言,我国能源结构中煤讲煤的事、油气讲油气的事、风光讲风光的事,长期缺乏连接不同能源形式的技术。实现“双碳”目标是一项系统性变革,各种能源不能“单打独斗”,亟须系统化布局,构建能源新体系,各种能源耦合互补,各自发挥所长、规避短板,跨部门、跨行业、跨领域联动,形成合力。

  他表示,新型能源体系的构建是传统化石能源与新型清洁能源此消彼长、互补融合的过程,是一项动态的复杂系统工程,而多能融合关键核心技术的突破是解决上述问题的必然路径。

  据刘中民介绍,中国科学院在5年前就已布局启动实施“变革性洁净能源关键技术与示范”战略性先导科技专项,提出了以化石资源清洁高效利用与耦合替代、清洁能源多能互补与规模应用、低碳化多能战略融合为三条主线的多能融合互补的清洁能源发展策略,以期实现化石能源、可再生能源、核能的融合发展,构建多能融合的新型能源体系,加快推进能源革命。

  值得一提的是,刘中民及其团队也一直在探索的煤炭的低碳化路径。煤炭经甲醇制烯烃技术与煤基乙醇技术,为煤炭资源的清洁、高效、低碳利用和国家“双碳”目标的实现提供强有力的技术支撑。

  当前国家能源形势如何?刘中民指出,“富煤、缺油、少气”的化石能源资源禀赋决定了我国现阶段以煤为主的能源生产与消费格局。要立足以煤为主的基本国情,抓好煤炭清洁高效利用。

  “煤炭是高碳资源,也是二氧化碳排放的主要源头,我们必须走出煤炭利用低碳化的路子,这是最大的挑战。既要保安全,又要保发展,还要低碳化,最难的事就在这儿。”刘中民坦言。

  当前,煤炭在我国有两种主要利用方式。一是燃烧作为直接的热力、动力能源;二是作为原料,代替石油制备化学品和油品;后者发挥了煤炭的物质属性,比较而言,排碳量相对较低。

  如何实现煤炭资源的清洁、高效、低碳利用?刘中民认为技术途径很多,有些已经实现了工业化,待突破的煤制芳烃是一个战略方向;另外,煤制含氧化合物比石油化工路线有优势,与精细化学品甚至可降解塑料有关,可望成为新兴战略产业。“煤炭之所以大量排放二氧化碳,是因为使用了氢这一物质,因此,想要减少排碳量,原理上就要减少氢的使用。”

  刘中民表示,当前处于能源革命、工业革命、科技革命与人工智能互相叠加的大变革时代的初期,我们一方面要降低化石能源比例,增加新能源;另一方面,在维持发展需求的同时进行工业流程变革实现低能耗;科技革命要发挥引领作用;最后,人工智能也影响能源、工业、科技三大革命。

  身兼数职的“科研者”

  除了科研人员这一身份外,刘中民也是身兼数职:中国工程院院士,中国科学院大连化学物理研究所所长、研究员、博士生导师,甲醇制烯烃国家工程实验室主任……

  回忆起青年时期,刘中民坦言,“我一开始特别喜欢自己做研究、做实验,有了组长身份之后,就开始去学着协调团队、协调研究课题方向设置,人员分工、协调各种事,这比纯科研要麻烦一点,但大家联合起来可以做更大的事情。”

  作为一名研究生导师,刘中民也常教导学生,要养成终生学习、辩证思考的习惯,这与专业知识同等重要。对于如何培养学生创新,他认为,最创新的事一定是最难的,让一个新手做最难的事,就要避免打击他的积极性,要通过循序渐进的方法,让学生保持对科学的热爱。

  虽然有着多重身份,但刘中民认为,作为一名科研工作者是他职业生涯中很幸福的事情。他告诉记者,科研是件乐在其中的事,乐在其中就不会感觉辛苦。他也多次向记者强调,“不要把我说的有多辛苦,没必要。做科研是件很乐呵,很幸福的事情。”

  对于什么是科学家精神,他表示,首先要讲科学、尊重科学、热爱科学。科学就要实事求是,科学来不得虚假,这要求我们科技工作者实实在在地做科研。

  他也表示,要明白科研为谁而做,为什么而做,达到什么目的,我们不否认科学家有追求自我的成分,但要把这个积极因素发挥出来,把自己的发展和国家的发展融到一起。