把論文寫在祖國的大地上(《中國科學報》2019-07-16)

  來源:《中國科學報》

  發布時間:2019-07-16

  ■丁云杰

  當我在學生時期,錢學森、鄧稼先等老一輩科學家不惜放棄國外優越環境和待遇,沖破百般險阻堅決回國,并為國家建設發展奮斗一生的事跡,就深深感染了我。那時我就立下志向,將來要成為像他們那樣的科學家,為祖國的繁榮富強作出貢獻。1999年我在美國完成博士后工作決定回國。我深知,祖國才是我需要用一生回報的地方,更是我實現人生夢想的地方。

  回國后不久,我來到中國科學院大連化學物理研究所(以下簡稱大連化物所)工作,擔任一碳化學與精細化工催化研究組(805組)組長,致力于催化新材料以及多相催化反應工藝的研究,聚焦合成氣轉化和精細化工催化等領域。20多年來,我帶領科研團隊,把目標鎖定在趕超世界一流、解決國內急需的關鍵技術上,攻克了一系列核心技術難題,開發了多項工藝技術,已有8項技術實現了工業示范或工業化,總產值超過20億元/年,還有6項技術正在進行工業示范或工業化。研究組也成為該領域在國內外有影響力的科研團隊之一。

  “煤變油”:20年不懈努力結碩果

  我們研究團隊的一個重要研究方向是合成氣化工,在我國“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦下是一條可行的煤炭清潔利用、降低石油對外依存度的重要技術路線。我們的研究重點主要集中在鈷基催化劑和以其為核心的工藝技術上。經過20多年的不懈努力,兩種新的煤制油技術都取得了較大進展,正在向工業化應用穩步推進。

  在固定床合成油蠟方面,我們從基礎理論出發,成功創制了硅膠負載的高性能鈷基催化劑,并以此為核心技術,2007年在浙江寧波建設了一套3000噸/年的鈷基固定床合成氣制合成油蠟工業中試裝置。經過5000小時的試驗,催化劑綜合性能與殼牌公司同類催化劑水平相當,這標志著我們掌握了鈷基費托合成氣制合成油蠟這一關鍵技術。在該中試的基礎上,我們與北京三聚環保新材料股份有限公司合作,建設了20萬噸/年合成氣制合成油蠟工業裝置,將于2019年底投料開車。

  在漿態床高選擇性合成柴油方面,團隊創制了碳材料負載的具有高柴油餾分選擇性的新晶型鈷基催化劑。在從實驗室到工業化的開發進程中,我一直工作在第一線,帶領團隊攻克了碳材料載體前處理、催化劑現場還原活化等重要關鍵難點。2015年10月,我們與延長石油集團合作建設的15萬噸/年合成氣制油工業示范裝置一次開車成功。這是世界上首套碳材料負載的鈷基漿態床合成氣制油工業示范裝置。現在,示范裝置正在進行最后的消缺整改工作,即將開始滿負荷生產。

  與此同時,團隊還開發了合成氣油—醇聯產技術。在基礎研究方面,首次提出了金屬鈷與碳化鈷的界面是合成高碳醇的催化活性位這一理論,并研發了具有直鏈伯醇選擇性高的催化劑。在此基礎上,還研發了有別于國外跨國公司現有的乙烯齊聚技術、適合于我國資源稟賦的煤基α-高碳烯烴生產技術,為聚α-烯烴基礎油、高密度聚乙烯、線性低密度聚乙烯全產業鏈提供關鍵原料的核心技術。

  單原子催化:從基礎研究到工業化

  單原子催化是大連化物所張濤院士團隊與清華大學教授李雋、美國亞利桑那大學教授劉景月合作,首先提出的催化領域的一個新興概念和理論,我們致力于針對特定的反應體系,不僅在實驗室中深入研究單原子催化的機理和控制策略,還將其應用于實際工業化體系,真正實現這一新概念從基礎研究到形成現實生產力。

  通過不斷研究和探索,我們不僅發表了一系列基于多孔有機聚合物(POPS)的高水平學術論文,還解決了包括單體批量制備和催化劑成型等工程問題,創制出了一系列具有高活性、高選擇性和高穩定性的催化劑,以此為核心形成了工藝軟件包。其中,乙烯氫甲酰化及其加氫制正丙醇的固定床單管放大試驗已經通過技術鑒定,與浙江寧波巨化新材料公司合作,正在建設一套5萬噸/年的工業裝置,將于2019年底投料試車。這是世界上第一套采用多相催化劑的烯烴氫甲酰化反應裝置,具有原創性和先進性。多相丙烯氫甲酰化制丁辛醇和丁烯二聚物多相氫甲酰化制異壬醇等裝置正在規劃之中,尤其是將寧煤神華的400萬噸/年煤制油產物的石腦油餾分中烯烴多相氫甲酰化及其加氫轉化為高碳醇的技術,包括百公斤級油/醇萃取—精餾分離精制技術,都初步取得了成功。

  在甲醇多相羰基化制C2含氧化合物的研究中,我們發現碳材料負載的大多數貴金屬催化劑具有自發形成單核絡合物活性位的特性,據此開發了甲醇—合成氣經多相羰基化制乙酸甲酯及其加氫制乙醇的技術、酯交換制乙酸乙酯以及水解制醋酸的集成性組合新技術,完成了原創性的核心技術工業性中試,擬在馬來西亞進行工業示范。

  上述兩項技術,屬于我們研究團隊近年來取得的重要進展,也是對單原子催化這一理論的深入解讀和工程化發展。

  精細化工技術填補國內空白

  2011年8月,我主持研制的國內首套乙醇胺(MEA)臨氫氨化生產乙撐胺(EDA)的1萬噸/年工業化裝置,在山東聯盟化工股份有限公司開車成功,標志著我國掌握了國際上先進清潔的MEA法生產EDA成套技術,打破了國外公司在該領域的技術壟斷。該裝置已平穩運行近7年,實現產值超16億元。在此基礎上,又新建了1套年產3萬噸的乙撐胺裝置,于2015年3月順利投料生產,該裝置產值超過了24億元,相關成果獲“遼寧省科學技術獎二等獎”和“中國專利優秀獎”。該項技術已日趨成熟,與印度Balaji有機胺公司簽訂了整套技術許可合同,并于2019年1月順利投料開車并產出合格產品。

  由我主持的中科院戰略先導項目“低階煤清潔高效梯級利用關鍵技術與示范”子課題“煤基合成氣制乙醇技術的研發”,其中煤經合成氣制C2含氧化物,再加氫轉化為乙醇,經過多年的不懈努力研制出了高選擇性的新型合成乙醇催化劑以及產物后處理的加氫催化劑,并完成了實驗室立升級模試。在此基礎上,世界上第一套千噸級合成氣制乙醇工藝技術完成了工業中試。乙酸直接加氫制乙醇技術與索普集團公司和中國五環工程有限工程公司合作進行了3萬噸/年乙酸加氫制乙醇工藝技術的工業示范。與美國Celanese公司的技術相比,在相近的能耗和物耗下,我們的技術更有優勢。團隊還開發了世界上首套15萬噸/年乙酸—丙烯酯化及其加氫制乙醇和異丙醇的工業化技術,該技術具有原子經濟性,產品純度達到了99.9%以上。

  除此之外,采用我們團隊技術的2萬噸/年對苯二甲酸二甲酯(DMT)加氫制1,4-環己烷二甲醇(CHDM)工業裝置,2014年在江蘇張家港成功投產并穩定運行,該生產廠家成為世界上第三家具備生產PETG和PCT聚酯工程塑料CHDM中間體能力的企業。

  經過20多年努力,我們已經形成了一系列基于加氫、氨化、氫甲酰化和羰基化的精細化工成套技術,填補了我國精細化工行業多個生產技術的空白,縮小了與世界先進水平的差距。

  經驗與感悟

  “把論文寫在祖國的大地上。”這是習近平總書記對中國科技工作者的殷切希望,也是我和團隊多年來共同努力奮斗的目標。花大力氣做好基礎研究,是支撐原創性技術工業化的關鍵,也是我們能始終保持技術領先的原動力所在。例如我們首次系統地提出了在碳材料負載的鈷基催化劑中Co-Co2C界面是合成混合伯醇活性位的理論;首次提出了多孔聚合物配體自負載“新的均相催化多相化”概念,成為烯烴氫甲酰化工程化技術的重要理論依據。在2016年大連化物所“我們身邊的科學家”報告會上,我曾以“怎樣當研究組組長”為題與大家交流經驗。在我看來,能解決實際問題的基礎研究是催化技術原始創新的基礎和源頭;開展應用研究要主動適應國家經濟發展的新常態,在瞄準國內市場的同時,也要積極開拓國際技術市場。在確定課題的時候,要將我國企業的實際需求與我們的研究積累結合起來。通過與適應我們技術特點的伙伴強強聯合,來縮短研發時間,突破技術鏈上的瓶頸,實現從“科學語言”向“工程語言”轉換,這樣才能擁有推動科學技術向工業應用轉化的“真本事”。

  作者簡介:

  丁云杰,浙江海寧人,博士、研究員、博士生導師。現任大連化物所合成氣轉化和精細化學品催化研究中心主任。

  以下是該媒體報道地址:http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/7/347800.shtm

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