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李永旺:煤制油的科学人生
李永旺:煤制油的科学人生
www.dicp.ac.cn    发布时间:2017-01-25 10:16    栏目类别:科学家论坛

  2009年初春伊始,春寒乍暖的内蒙古鄂尔多斯草原上,我国第一个16万吨/年煤炭间接液化示范装置试车成功,乌黑的煤炭化作清澈的柴油喷涌而出,中国科学院山西煤炭化学研究所李永旺研究员与伊泰集团董事长张双旺紧紧拥抱在一起,现场每一个科研人员都明白,此时此刻我国已成为世界上继南非和荷兰之后掌握现代煤制油工业技术的第三个国家,中国三代科学家为之奋斗了60多年的梦想终于化为现实。2011年6月,国家能源局决定采用我国自主研发的中科技术、开工建设我国最大规模的神华宁煤400万吨/年煤炭间接液化商业装置,彻底放弃谈判近十年、待价而沽的南非沙索公司技术,风云际会间已斗转星移,由此中国人用自己的技术大规模建设煤制油工业的帷幕徐徐展开……。 作为自主煤炭间接液化技术的开拓者,李永旺研究员带领科研团队逆流而上,踏浪而行,百折不挠,矢志不移,在凤凰涅槃中破茧而出,终于用锻造出的“金刚铠甲”博弈并迎来中国煤制油工业发展的时代大潮。
  国家使命 漫漫征程
  石油是一个国家重要的战略物资,也是一个国家经济和社会赖以发展的血液。上世纪70年代,美国前国务卿基辛格曾说过:“谁控制了石油,谁就控制了所有国家;谁控制了粮食,谁就控制了所有的人。” 事实上,从世界范围的历史上来看,当一个国家受到战争、地缘政治、资源或经济因素所困而导致油品短缺时,就常常想起了煤制油技术,而煤制油技术的开发也常常与一个国家的发展命运息息相关。
  煤制油主要有直接液化和间接液化两种方法。煤炭直接液化是将煤与重油混合的煤油浆在高温高压下加氢获得初原油,初原油加工再得到成品油。煤炭间接液化是将煤首先气化为合成气(H2和CO的混合气),合成气再在催化剂作用下反应生成液态烃、蜡、气态烃,该反应称为费托合成反应,合成得到的液态烃、蜡再经加工得到成品油。煤炭间接液化中的费托合成反应可在相对温和的条件下(200-300℃、2.0-3.0MPa)进行,转化获得的成品油品质更好,使得该方法更受人们青睐和重视。
  德国是世界上第一个实践煤制油的国家。德国在第二次世界大战期间(1936-1945年)因战争机器的需求,建造了以煤为原料的9个费托合成油厂,使用常压钴基费托合成技术,总产量达到67万吨/年,二战结束后,由于石油工业的兴起,廉价油品的生产,并且早期的煤制油技术效率很低,导致煤制油装置全部关闭。
  上世纪50年代,南非实行种族隔离制度,导致国际上对其进行石油禁运政策而被迫发展发展煤制油工业,刚开始引进德国和美国早期的合成油技术,之后在将近60多年的煤制油技术发展中,不断升级和完善技术,形成了固定床、循环流化床、固定流化床、浆态床合成工艺技术。1995年以前南非沙索公司主要依靠政府补贴维持运行,1995年后开始不再依赖于政府补贴而获得盈利,此时南非种族隔离制度已解除,已可从国外进口石油。2011年该公司销售额达170亿美元,实现利润28亿美元。目前南非沙索公司是世界上最大的综合性煤化工企业,年耗煤5000万吨以上,以煤间接液化技术为核心,年产油品和化学品850万吨,其中油品600万吨,供应南非30%的油品市场。南非近60年技术发展的实践证明煤制油产业是完全可以赢利的,技术的不断进步是突破煤制油技术经济瓶颈的关键所在。中东国家和一些非洲国家拥有丰富的石油资源,在石油开采时常常伴随着大量廉价油田气的燃烧排放,经济损失巨大。南非沙索公司将其掌握的煤炭间接液化技术转接到天然气制油中(GTL),2006年和2008年在卡塔尔和尼日利亚建成投产了两套120万吨/年天然气制油的装置。
  除南非沙索公司外,荷兰壳牌公司也拥有工业化的费托合成油技术,针对马来西亚宾吐鲁岛大量浅海廉价天然气资源,1993年在马来西亚建成一套天然气制油的50万吨/年固定床合成油装置,近年来该装置扩建为75万吨/年,2011年又在卡塔尔建成投产了140万吨/年天然气制油装置。壳牌公司至今未将其合成油技术推广到煤制油领域。
  到目前为止,国际上仅有南非沙索公司和荷兰壳牌公司拥有费托合成油工业技术。国际上各大石油公司均在花费巨资开发煤制油或天然气制油甚至生物质制油的工业技术,印度、印尼、澳大利亚、俄罗斯等煤炭资源丰富的国家急需发展本国的煤制油工业,中东和非洲的一些国家渴望发展天然气制油工业,而发达国家美国、英国、加拿大等国渴望拥有费托合成油工业技术,以在国际合成油市场上占领制高点并分得一杯羹。
  中国是一个煤炭相对丰富但缺油少气的国家,也是较早开展煤制油技术开发的国家之一。煤制油工业技术的开发伴随着战争、经济发展、石油价格上涨、国际原油封锁或能源战略安全的考虑而几起几落,命运多舛。1939年当中日战争进入最困难的时候,日军对中国进行全面物资封锁,中国军队所需燃油进口非常困难时,国民政府决定学习德国技术,进行煤制油技术研究。从德国柏林工科大学归来的赵宗燠博士临危受命,于1941年开始在重庆建设费托合成法的煤制油厂,很快在小型试验装置上产出了油,1945年抗战胜利后政府认为日军已败,抗战工业不再需要了,要求工厂停办。新中国成立后,国家百废待兴,经济发展急需石油,而石油资源奇缺,赵宗燠意识到这是一次发展煤制油的重要机遇。1950年赵宗燠接管了日军在东北锦州石油六厂引进的德国常压钴基固定床费托合成煤制油厂,当年恢复扩建了锦州煤制油装置,1951年生产出油,1959年产量最高时达4.7万吨/年。同期的1953年中科院大连石油研究所(现中科院大连化学物理研究所)留德博士张大煜所长开始组织进行4500吨/年循环流化床合成油中试试验,组织成立了中国科学院煤炭研究室(中国科学院山西煤炭化学研究所的前身)。但就在这个关键时刻,因大庆油田的发现,中国放弃了当时被称为“人造石油”之梦的追求,国家把精力投入到石油勘探开采上了,中国第一次的煤制油经历渐渐沉到了历史深处,中国人沉浸在“把石油落后的帽子甩到太平洋里”的狂喜之中。如果当时中国坚持下来,最终攻克成本关,那么40多年后,中国就不必向南非从头学起,再交一次学费了。今天回过头来回味,我们不禁为第一代煤制油科学家扼腕叹息。
  1980年中国改革开放开始不久,中国也开始渐渐融入国际社会,而就在此时长达8年的两伊战争爆发,伴随而至的世界石油危机震荡着各国的经济,国际原油价格成倍增长,而此时中国石油勘探却很难再找到像大庆油田一样的新油田了。隐隐之中,中国有远见的能源专家感觉到了中国未来发展将面临的石油危机,他们将眼光又落在了煤制油上。时任中国科学院山西煤化所所长的鲍汉深和彭少逸院士到中国科学院和国家科委奔走呼号,从能源战略安全和能源技术储备角度力主国家启动煤制油技术的开发。很快国家重新恢复了煤制油技术的研究与开发,中科院山西煤化所举全所之力雄心勃勃地开始了中国第二次煤制油之旅。1980-1988年间多个课题组协同攻关,完成了实验室催化剂研制和固定床单管合成模型试验,确定了有别与南非技术的煤炭间接液化的固定床两段合成工艺,1989年在山西代县化肥厂完成了100吨/年中试,1993-1994年在山西晋城化肥厂完成了2000吨/年工业试验,产出了90号汽油产品,但只进行了2个月的工业运行试验就终止了。主要原因是当时科研经费有限,反复改进的后续试验经费难以到位,两伊战争结束后的国际油价持续低弥到每桶18美元左右,按照当时的技术评估,工艺效率低,技术经济性很难过关。1995-1996年中科院山西煤化所所长钟炳研究员又挤出有限的科研资金采用改进的高效固定床铁基催化剂组织进行了将近4000小时的工业单管试验,产油效率得到较大提升,但仍无法与石油工业相比。上世纪90年代中期,中国当时的经济还很不发达,汽车保有量很低,并没有感受到油品短缺的危机渐渐会到来,中国科研工作处于低谷时期,几乎中国所有的专家认为中国不适合发展煤制油工业。煤制油技术的发展又进入了艰难的抉择时期,此时第二代主要的科学家张碧江、周敬来、张志新、关玉德等人即将面临退休或已退休,而中科院山西煤化所所长钟炳也将面临换届交班,改革开放成长起来的新一代科研人员大多二十来岁或三十刚出头。煤制油事业何去何从,是否又像第一次煤制油一样人员解散,重新归零而沉入历史?煤制油技术开发若要坚持下去,谁能站出来接棒?
  低谷潜行 委以重任
  机遇总是给予有积累且敢于创新、勇于冒险的人。时任中科院山西煤化所所长钟炳研究员和中科院院士彭少逸先生在对煤制油发展之路忧心忡忡的时候,也在寻找未来煤制油的技术领头人,他们把目光渐渐游移聚焦到远在比利时根特大学和鲁汶大学留学的李永旺博士身上,全所的科研人员尤其是年轻一代的科研人员也开始关注这位当时年仅33岁的年轻人。
  李永旺出生于内蒙古鄂尔多斯杭锦旗的一个牧民家庭,小时候在草原放羊和徒步远行求学的经历练就了雄鹰般坚韧和豪放豁达的性格。1984年他从内蒙古工业大学化学工程专业毕业后分配到了青海西宁电化厂,技术操作工一干就是三年,至今对电化厂的工艺流程与技术革新还可捻熟于心、娓娓道来。1986年李永旺考入中科院山西煤化所硕士研究生,师从化工计算专家程懋圩研究员,研究课题刚好是对当时正处于试验阶段的煤制油固定床合成油工艺进行模拟与计算,获得硕士学位后1990年又开始师从彭少逸院士和陈诵英研究员攻读博士学位,进行催化反应动力学模型和工业反应器稳定性的理论研究,在整个博硕士学生期间,潜移默化地感受了山西煤化所煤制油技术开发的全过程,对煤制油有了基本的了解和认识。获得博士学位之后,1995年年初李永旺来到了比利时根特大学和鲁汶大学师从国际著名化工工程专家Froment教授 和石油化工专家Delmon教授作博士后研究,建立了费托合成固定床反应器模型及程序ARSOFTS,获得了比利时VAN研究基金会高级化学工程奖。1997年冬天的夜晚,正当李永旺因计算程序的过关而徜徉在比利时根特小镇享受着冬日的炉火和冒着白沫的黑啤酒时,中科院山西煤化所要求他立即回国的一纸电文拍来。李永旺很快将此事告知了Froment教授,Froment教授意味深长地说了这么一句话:“可以预见的10年内煤制油在中国有可能会有大动作,而这个技术要能达到工业化,也需要准备至少10年,回去吧,小伙子,我教给你的动力学与反应器知识也许会有用的。”
  李永旺作为中国科学院百人计划入选者被召回国,一回到研究所,就被所长钟炳研究员急切地召集到办公室,“阿旺,煤制油科研已经开不了锅了,油价太低,石油供应充足,目前要获得中科院和国家支持非常困难,所有参加煤制油攻关的课题组都处于解散的边沿,已有一半的科研人员要么调走了,要么退休了,人们看不到煤制油的前途。所里分析要过十年,中国经济发达后,运输车辆和小轿车拥有量大增时,油品会缺,油价会涨,煤制油会起死回生。可谁又能等了十年,没有科研经费这十年又能干什么?培养的队伍不就全跑了。现在把你从国外叫回来,就是要给你交代这个事,所里要维持这支队伍,要你回来负责煤制油技术开发,人员随你调,队伍不能散,资金所里可以挤一些出来,但要作大的试验还得靠国家和中科院支持。” 这比李永旺回国前预测的情况要糟糕得多,李永旺不由地倒吸了一口气,一时语塞:“这…太突然了,事太大了,怎么也得让我思考十天。”
  之后,李永旺调阅了煤化所经历的全部的煤制油试验资料,调研了与煤制油相关的所有课题组,咨询了所有参与攻关的老一代煤制油科学家,甚至到锦州请教了在世的参加过中国第一代煤制油厂的建设者,同时分析了中国煤炭和石油资源的状况、国际油价的走势、中国经济的发展速度和人民可以买得起轿车的时间节点,如果坚持煤制油技术的开发并且技术经济性得到持续的改进,预测在2005-2008年煤制油技术经济性与油价的关系就会出现转折点,此时大规模建设煤制油厂的时机就会来临。一周之后的一天晚上,李永旺在山西煤化所化工设计室见到了另外一个关键性的人物—设计室主任曹立仁研究员,连续谈了三天,剖析了在煤制油产业化过程中可能遇到的工程难题以及可能解决的方案,力邀曹立仁出山加盟煤制油攻关团队。
  十天后,李永旺答应了钟所长的请求,随后钟所长带领李永旺到中科院高技术局汇报了煤制油新的技术路线、要攻破的关键技术以及工作安排方案,强调了煤制油对将来中国的重要性,得到了中科院高技术局的认可,并得到了一笔180多万元科研资金的支持,这也是李永旺成立课题组的第一桶金。
  实验室运行前,李永旺首先把与合成油相关的五个课题组整合在一起,在调研分析的基础上,决定对合成工艺的主攻方向实行重大转变,由原来的固定床合成工艺改变为更为先进的浆态床合成工艺,但这样攻关的难度也随之加大了,以前中国人也没有设计和运行大型浆态床合成反应器的经验和工程数据。当然,浆态床合成的优势也很明显,柴油选择性高,反应器易于大型化,单台反应器产量大,催化剂易于连续化装卸,但缺点是一旦蜡和催化剂不能分离,生产的蜡流不出来,反应器过滤器堵塞,反应装置就不能运行下去了。李永旺采取的策略是:首先在实验室装置上解决关键的催化剂研制问题和浆态床反应器中的蜡催化剂分离的难题,紧紧依靠和不断提升基础研究水平,以基础带动技术创新,建立起基于详细基元反应机理的可描述全产物分布的动力学模型和浆态床反应器模型,由此开发由煤到成品油的全流程煤制油工艺模拟软件。即使将来没有科研资金进行工业中试试验和示范装置试验,我们也可以依据实验室研究结果预测和分析工艺集成后的百万吨级合成油厂的生产情况和技术经济性。李永旺和他的技术团队扎实工作,努力创新,不知多少个周末和节假日,他们反反复复做实验,并一丝不苟地总结和分析着实验结果,研究和提出解决问题的新思路和新方法。1998年实验室成功地研制出了高性能的低温浆态床费托合成铁基催化剂,同时蜡催化剂分离技术获得重大进展,浆态床煤制油工艺的技术经济性瓶颈得到突破。实验室能作的都已经作了,下一步怎么才能进入到工业中试阶段呢?
  峰回路转 中试突围
  首席科学家李永旺研究员仔细分析了从煤到成品油全流程工艺,详细核算了具有工业代表性的工业中试装置工艺和投资,认为千吨级浆态床煤制油装置是最小具有代表性的规模,而这已是实验室小型装置的2000倍,而从煤气化到气体净化、费托合成,再到油品加工以及配套的催化剂放大装备,总核算下来要进行工业中试试验,至少需要8000多万元的科研投入,考虑到装置试验运行成本,还需更多的后续资金的投入。这在当时对中科院的科研人员来说几乎是天方夜谭、难以企及的。回忆那段痛苦而又孕育希望的时光,李永旺至今仍难以忘怀,“那真是到了山穷水尽的时候,我们的科研经费也花的差不多了,眼看实验室就要赤字运行了。”
  此时刚从英国留学归来、担任中科院山西煤化所所长的孙予罕研究员来到李永旺的实验室,“阿旺,我预感到国际油价要涨了,煤化所的机遇要来了,中试我们必须尽快干,这一关我们必须过。我们一起到中科院高技术局和国家科技部寻求支援。” 恰逢其时,中科院和国家科技部正在酝酿知识工程重大工程项目和能源863重大项目的启动。
  2000年伊拉克战争爆发前夕,国际油价突然由18美元/桶上涨到33美元/桶,国内经济形势回暖,成品油价格一路上涨,而煤炭价格仍处于120元/吨左右的低位运行,更难以想象的是伊拉克战争结束后的2008年国际油价最高飙升到了148美元/桶,这是始料未及的后话。
  就在这年冬天的一个下午,一位不速之客悄然来到了李永旺办公室,“李博士,我是山西朔州煤炭私营企业的,生产的煤炭太多了,卖不出去,听说你搞的煤液化技术不错,我感觉将来煤制油是一条出路,我想投资让你建煤制油厂。” 李永旺望着这位朴实、眼光中透着一种坚毅的民营企业家王秀顺先生,不禁愕然,心中五味杂陈:“这可真是新鲜事,民营企业家要干煤制油”。李永旺博士解释到:“我们现在还是实验室技术,尽管效果不错,但要在建煤制油工厂前,还必须进行工业中试,中间环节不能跨越,否则风险太大,恐怕你的投资会颗粒无收。这是国家行为,煤制油工业技术开发周期长,投资大,怕民营企业负担不起。”王秀顺说:“李博士,那我先在中试试验上投入一把,我把这当成风险投资,我只想看到哪怕是一滴的煤变油。失败了就算打水漂,你看这样行不行。” 李永旺找到孙予罕所长,孙所长正为国家863和中科院知识创新工程项目的资金落实而发愁,为中试试验的启动而揪心。“阿旺,这可是雪中送炭啊,如果王先生能先投入一部分资金,我们就可以提前动工了。”不到两天,民营企业家王秀顺就将500万元打到煤化所账户上,这是李永旺收到的煤制油的第二桶金。
  2001年4月的太原,春风荡漾,中科院山西煤化所小店中试基地热闹非凡,千吨级中试平台破土动工建设。随后的实践证明,王秀顺的这笔资金至少使煤制油中试试验的进度提前了一年,历史应该记住这位敢吃第一只螃蟹的企业家。
  2001年7月,中国科学院江绵恒副院长听取了高技术局和李永旺研究员对煤制油技术研发的工作汇报,基于国家能源战略的需要与布局,敏锐地洞察到煤制油产业化发展的潜力和对中国的重要性,力主启动浆态床煤制油千吨级工业中试项目,将煤制油项目列为首批启动的中科院知识创新工程重大项目,并得到了3000万元的经费支持,这也促进了国家科技部“863”计划“煤制油”重大项目的启动,由此2001年年底又获得国家科研经费3000万元,但距其实际需求的上亿元投入相去甚远,成果推向产业化仍然困难重重。同年中科院成立了由江绵恒副院长担任组长的煤制油项目领导小组,与山西省政府签署了煤制油项目合作的框架协议,获得了山西省发展和改革委员会的经费支持,积极推进煤制油技术在山西的发展。
  2002年年初,来自内蒙古鄂尔多斯伊泰集团的又一位民营企业家张双旺先生悄然来到了中试基地,详细考察了煤制油中试技术后,毅然决定与山西煤化所签订合作协议,投入巨资共同开发煤制油技术,这是煤制油命运发展的最为关键的转折点。 2002年9月千吨级工业中试试验装置建成并试车成功,一次投料出油,合成出了第一批粗油品,随后又从粗油品中加工出了无色透明的高品质柴油。
  煤制油中试装置成功出油的消息不胫而走,在国内大型煤化工和石化企业间引起了震动。之后山西潞安集团、中国神华集团、徐州矿业集团等纷纷前来考察,要求投入资金进一步完善煤制油中试技术。2003年李永旺组织成立了中科院山西煤化所合成油品工程研究中心,先后与内蒙古伊泰集团、山西潞安集团、山西省发改委、神华集团、徐州矿业集团等签署了技术联合开发合同,成立了由各方组成的理事会,最终以期权股份的形式先后筹措到资金1.2亿元。确立了以山西煤化所合成油品工程研究中心为载体,以技术研发和产业化为目标,在理事会管理下独立运转的创新型技术开发模式,为以后煤制油技术的公司化运作和千吨级工业中试项目的实施打下了坚实的基础。
  2002年6月至2004年6月在中试装置上进行了三次试验运转,2004年6月1日到10月25日实现了2000多小时的连续稳定运转,完全掌握了低温浆态床合成油工艺技术和催化剂生产技术,对煤制油工艺模拟软件进行了全面的验证和优化,生产出了十六烷值高达75的高品质柴油,该技术与当时世界上最先进的南非沙索公司水平相当。2005年9月和2006年1月通过了国家科技部组织的对863计划能源领域项目验收和中科院组织的验收。李永旺的研发团队也荣获2005年中国科学院杰出科技成就奖。
  技术不断进步和提升是推动产业化的动力源泉。2005年李永旺在对规划中的16-20万吨/年合成油示范厂工艺进行集成优化的计算时发现,采用低温浆态床合成油工艺技术,大量的反应热副产的蒸汽(0.5-0.8MPa)品位低,难以在全厂实现平衡利用,整体能量效率较低(37-38%);随后李永旺在国际上首次大胆提出高温浆态床费托合成工艺概念,其特点是:反应在高温区260-290℃ 操作,副产高品位蒸汽(2.0-3.0MPa),联产发电,可有效地平衡全系统的热量,克服低温浆态床工艺的低品位蒸汽难以利用的缺点,从而提升煤间接液化过程的整体能量利用效率。从2006-2008年短短不到3年的时间,在原有低温浆态床技术的基础上,李永旺又组织科研人员成功地开发出目前国际上最为先进的高温浆态床工业化技术。
  体制创新 示范成功
  现任山西煤化所所长王建国研究员回忆说:“2004年全年的所务会大部分都是在讨论如何解决煤制油项目的问题,是成立公司走向市场,还是中试完成后到此为止?如何建设煤制油示范厂?资金从哪里来?……讨论的内容已不是技术上该怎么办,全是体制和机制上的问题。大家讨论的最后结果是成立股份制公司,建设技术研发—产品规划—工程设计—施工总承包—技术服务一条龙模式的高技术公司,引进技术力量、引进社会资本,从根本上解决煤制油的产业化问题。”
  2005年开始有企业陆续到煤化所考察煤制油项目,其中不乏中国海洋石油公司这样的大型企业集团。经过洽谈,2006年2月,由山西煤化所、内蒙古伊泰集团有限公司、神华集团有限责任公司、山西潞安矿业(集团)有限责任公司、徐州矿务集团有限公司和连顺能源有限公司共同投资,组建了中科合成油技术有限责任公司,公司注册资本5亿元。其中伊泰集团出资2.27亿元,为第一大股东。 李永旺说,一项技术必须经过“实验室-工业中试试验-工业化示范-大规模工业化示范-商业化大规模生产”这样一个过程。他要求新成立的中科合成油技术有限公司“在每一个阶段都要稳扎稳打、步步为营。”同时要不断强化核心技术原始创新能力,在该领域形成不可替代的技术支撑体系。
  “科研人员与市场结合起来,就能发挥出极大的创新力。”李永旺始终坚持这个观点并把它运用在自己的科研队伍中。煤制油技术研究是一项非常复杂的系统工程,涉及几百个专科、上千个点,每一个点上都有对应的专门人员,而他所在的单位,掌握着成套的核心煤制油工艺和催化剂生产配方技术,一个人走了,不仅会导致技术外流,这个项目也得从头再来,损失无法估量。李永旺将市场经济同国际上的先进的奖励制度结合起来,研究出一套新型的激励制度。体制公司化就是他成功探索的典范,即将科研人员的研究成果与公司股份相结合,只要有成果,就能得到很好的待遇。这种体制不仅吸引了大批国内一流人才,甚至吸引了不少“洋人才”。李永旺所带领的团队,个个都是“拼命三郎”,放到哪里都是顶梁柱。从1997年最初的三五个人,到后来的20多人,到了2006年启动三个16-20万吨/年示范厂时,已经形成了极富凝聚力和战斗力的300多人的团队,李永旺的团队就像一块巨大的磁铁,不断将科研行业精英吸到身边。2008年初,为增强中科合成油发展后劲,在原有股东单位支持下,公司注册资本金增加到10亿元,同时科技团队通过借贷方式投资拥有了公司部分股份,解决了科技人员的吸引、稳定和长期激励等问题。
  作为国家科技创新体系的重要组成部分,国家工程实验室正是为突破产业结构调整,强化对国家重大战略任务、重点工程的技术支撑和保障而建。在此背景下,以中科院山西煤化所为依托,由中科合成油提供资金、配套设施、人才队伍等支持,2008年煤炭间接液化国家工程实验室由国家发展与改革委员会批准建设。
  李永旺说,“国家工程实验室在煤制油的核心技术研发、基础研究、技术标准化及新工艺和中试平台方面均取得了重大突破,对突破煤间接液化合成油技术产业化发展瓶颈、形成我国具有自主知识产权的煤间接液化合成油大型化工程等方面起到了关键性作用。”
  煤制油产业化过程中所需的庞大资金,只靠山西煤化所这样的科研机构本身是根本不可能解决的。正是通过整合社会资源建立公司,以资本为纽带,使之得到了有力的支撑。股权社会化就像化学反应中的催化剂,加快了科研成果转化的反应速度,为煤制油示范厂建设运行插上了腾飞的翅膀。
  2006年内蒙古伊泰集团、山西潞安集团和中国神华集团的三个16-20万吨/示范厂规划、设计、建设全面启动。2007年1500吨/年合成油催化剂厂在安徽淮南破土动工。2008年5月催化剂投产,当年实现了工业批量稳定生产。2009年3月伊泰16万吨/年合成油示范厂试车成功,中国真正的“人造石油”喷涌而出,中国人的煤制油梦想在经历了半个多世纪的风风雨雨后终于化为现实。2009年9月潞安16万吨/年合成油示范厂也一举开车成功。2010年7月国家能源局组织的专家组通过了对伊泰示范厂的现场考核验收,示范厂实现了“安稳长满优”的工业运行,成功地验证了李永旺研究员提出的高温浆态床合成油工艺概念,整体能效由传统的低温浆态床合成工艺的37-38%提高到高温浆态床合成工艺的40-42%,预计该工艺放大到百万吨级规模,整体能效将进一步提升到44-47%。示范厂在系统能效、催化剂产能与活性、产品选择性等关键核心技术指标上优于国际煤炭间接液化技术水平。到目前为止,伊泰和潞安两个示范厂已运行5年以上,为示范厂业主创造了明显的经济效益,这标志着我国已完全自主掌握了先进高效的煤炭间接液化工业技术。2010年示范技术获得国家能源局设立的国家能源科技进步一等奖。
  中国神华集团年产18万吨的煤炭间接液化示范厂2010年进行了两次开车验证试验,2011年神华宁夏煤业集团公司年产400万吨煤制油项目决定采用中科技术,迫使南非沙索公司退出中国煤制油市场,结束了与中国谈判近十年的历程,消息传出,一时震惊了中国和世界煤化工领域。中国人掌握自己的命运、建设中国自己的煤制油工业的大幕徐徐开启。2011年第一期《中国煤化工》杂志发表评论:“十年来,中国人的素质在提高,对外合作方式在转变,技术水平在升级,而沙索却低估了这些转变的速度。沙索的谨慎耽误的不仅是时间,还有其先发优势。南非人没想到中国自主研发的技术能在短短几年内应用于大规模装置。事实正是如此,在国内一些专家看来,至少在今天,沙索的技术并不是那么神秘和不可替代。”
  科学有序 规模发展
  2012年,国家发展和改革委员会、国家能源局编制的《煤炭深加工示范项目规划》和《煤炭深国家产业发展政策》出台实施,提出在“十一五”期间我国自主的煤炭间接液化技术获得成功示范的基础上,“十二五”期间示范技术将推进到100万吨级以上的重大示范项目级别上。
  以中科技术为代表的我国自主研发的煤制油技术经过“十一五”示范厂运行成功后,在“十二五”期间已经启动了多个百万吨级煤制油商业项目,主要包括: 神华宁煤400万吨/年,山西潞安180万吨/年(一期100万吨/年),新疆伊犁540万吨/年(一期100万吨/年),新疆甘泉堡540万吨/年(一期200万吨/年),内蒙古准格尔400万吨/年(一期200万吨/年),内蒙古杭锦旗400万吨/年(一期120万吨/年),内蒙古锡林郭勒100万吨/年,贵州500万吨/年(一期120万吨/年)。同时在内蒙古大路煤化工园区配套启动建设1.2万吨/年合成油催化剂厂。预计到2016年我国煤炭间接液化产业将形成产能约1300万吨/年,2025年形成产能约3100万吨/年,届时煤制油产量将占石油进口量的10-15%。
  李永旺和他的研发团队在煤制油技术的研发过程中发表论文500多篇,其中在国际学术刊物上发表论文300多篇,申请中国发明专利110多件,国际PCT专利7件,其中获得中国发明专利授权80多件,国际发明专利授权27件,制订国家技术标准3项,企业技术标准5项,形成了煤气化、合成催化剂、合成工艺、关键反应器构件、油品加工、节水环保、精细化学品生产等铺盖全部煤制油产业链的完整的知识产权保护体系,成为国际上最具影响力的煤制油研发团队之一。
  “这些专利只是写在纸面上的东西,其实质是核心技术的创新能力。有了这样的研发能力,还需要一个将这种能力转化为生产力的能力。”李永旺说,“可以说,中科合成油完成了当初被赋予的这种历史使命。从实验室研究、中试、工业化示范项目,到目前正在做的百万吨级的示范提升和商业化项目,我们完成了从技术到产品再到产业的全过程。”
  到目前为止,中科合成油技术有限公司的研发团队已由当初的几个人发展为目前的900多人,总公司下属的工程公司具备了甲级化工工程设计资质,2013年国家能源局批准在公司研发中心成立国家煤基清洁燃料能源研究中心。2014年5月李永旺研究员因在煤制油工业技术开发中的突出成绩获得周光召基金会“应用科学奖”。
  当前国家对百万吨煤炭间接液化装置建设在能源转化效率、煤耗、水耗、技术装备水平提出了更高、更为严苛的要求。李永旺要求科研团队:“强化工程技术基础研究,集中力量解决我国煤制油大型装备设计、制造与安装的关键技术问题。在单元过程技术进一步优化创新的基础上,加强整体过程的系统集成优化工艺模拟与仿真研究,确保在百万吨级煤制油装置上能源转化效率达到42%以上,单位产品综合能耗低于4吨(标煤)/吨油。采用最先进的空冷和密闭循环技术,严格控制水耗,实现水质达标和零排放。从反应机理和活性相结构上寻求理论突破,指导研制更为高效的催化剂,实现催化剂的升级换代。同时在不断完善技术路线的同时,拓展思路,向下游产品要效益。”
  针对碳排放问题,李永旺认为应该积极应对煤制油中的碳排放问题,通过提高煤制油装置的整体能量利用效率来实现CO2相对减排5-8%,在煤制油装置脱碳单元可释放出纯度99%以上的CO2,可与未来CO2捕集和封存(CCS)的工程对接,实现CO2绝对减排60%以上。另外也可通过碳汇林方式来承担一部分社会责任,这也是我们一直尝试作的事情。
  对于未来煤制油技术的发展,李永旺指出:我国拥有难以利用的大量的低热值褐煤资源,应积极开发煤炭分级液化技术,实现褐煤的梯级有效利用,形成新一代煤制油技术。
  2013年我国石油消费量达到4.98亿吨,对外依存度已近60%,如果按照目前的经济发展速度,预计2020年我国石油消费量将达到6亿吨,对外依存度将达到68%,油品紧张形势将愈加严峻。在太阳能、风能、生物质能等新能源技术成熟之前,预计2050年前煤炭在一次能源中占据主要地位的格局不会改变。
  就今后几十年的煤制油发展走向,李永旺提出了一套自己的能源哲学和发展思路:“在今后30-50年内煤制油在国民经济中将发挥重要作用,未来我们将逐步由制油为主转变为制化学品为主,并进一步扩大实现低质褐煤、生物质、有机垃圾等含碳资源的能源转化。”
  理想是人生的风帆,荣誉是成功的投影,而对事业的不懈追求才是生活中的醇酒。目前,李永旺正致力于百万吨级大型煤制油厂的工程设计建设和后续技术研发的发展工作,他和他的技术团队为了攀登新的能源科学高峰,正昂首阔步在科技创新的征程上……

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