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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

  ■丁雲傑

  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,並爲國家建設發展奮鬥一生的事迹,就深深感染了我。那時我就立下志向,將來要成爲像他們那樣的科學家,爲祖國的繁榮富強作出貢獻。1999年我在美國完成博士後工作決定回國。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。

  回国后不久,我来到中國科學院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)工作,担任一碳化学与精细化工催化研究组(805组)组长,致力于催化新材料以及多相催化反应工艺的研究,聚焦合成气转化和精细化工催化等领域。20多年来,我带领科研团队,把目标锁定在赶超世界一流、解决国内急需的关键技术上,攻克了一系列核心技术难题,开发了多项工艺技术,已有8项技术实现了工业示范或工业化,总产值超过20亿元/年,还有6项技术正在进行工业示范或工业化。研究组也成为该领域在国内外有影响力的科研团队之一。

  “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”的資源禀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钴基催化劑和以其爲核心的工藝技術上。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,成功創制了矽膠負載的高性能钴基催化劑,並以此爲核心技術,2007年在浙江甯波建設了一套3000噸/年的钴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钴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钴基催化劑。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範裝置一次開車成功。這是世界上首套碳材料負載的钴基漿態床合成氣制油工業示範裝置。現在,示範裝置正在進行最後的消缺整改工作,即將開始滿負荷生産。

  與此同時,團隊還開發了合成氣油—醇聯産技術。在基礎研究方面,首次提出了金屬钴與碳化钴的界面是合成高碳醇的催化活性位這一理論,並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、適合于我國資源禀賦的煤基α-高碳烯烴生産技術,爲聚α-烯烴基礎油、高密度聚乙烯、線性低密度聚乙烯全産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隽、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産力。

  通过不断研究和探索,我们不仅发表了一系列基于多孔有机聚合物(POPS)的高水平学术論文,还解决了包括单体批量制备和催化剂成型等工程问题,创制出了一系列具有高活性、高选择性和高稳定性的催化剂,以此为核心形成了工艺软件包。其中,乙烯氢甲酰化及其加氢制正丙醇的固定床单管放大试验已经通过技术鉴定,与浙江宁波巨化新材料公司合作,正在建设一套5万吨/年的工业装置,将于2019年底投料试车。这是世界上第一套采用多相催化剂的烯烃氢甲酰化反应装置,具有原创性和先进性。多相丙烯氢甲酰化制丁辛醇和丁烯二聚物多相氢甲酰化制异壬醇等装置正在规划之中,尤其是将宁煤神华的400万吨/年煤制油产物的石脑油馏分中烯烃多相氢甲酰化及其加氢转化为高碳醇的技术,包括百公斤级油/醇萃取—精馏分离精制技术,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範。

  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,我主持研制的国内首套乙醇胺(MEA)临氢氨化生产乙撑胺(EDA)的1万吨/年工业化装置,在山东联盟化工股份有限公司开车成功,标志着我国掌握了国际上先进清洁的MEA法生产EDA成套技术,打破了国外公司在该领域的技术垄断。该装置已平稳运行近7年,实现产值超16亿元。在此基础上,又新建了1套年产3万吨的乙撑胺装置,于2015年3月顺利投料生产,该装置产值超过了24亿元,相关成果获“辽宁省科学技术奖二等奖”和“中国專利优秀奖”。该项技术已日趋成熟,与印度Balaji有机胺公司签订了整套技术许可合同,并于2019年1月顺利投料开车并产出合格产品。

  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範”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,再加氫轉化爲乙醇,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産物後處理的加氫催化劑,並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範。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,産品純度達到了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産並穩定運行,該生産廠家成爲世界上第三家具備生産PETG和PCT聚酯工程塑料CHDM中間體能力的企業。

  经过20多年努力,我们已经形成了一系列基于加氢、氨化、氢甲酰化和羰基化的精细化工成套技术,填补了我国精细化工行业多个生产技术的空白,縮小了与世界先进水平的差距。

  經驗與感悟

  “把論文写在祖国的大地上。”这是习近平总书记对中国科技工作者的殷切希望,也是我和团队多年来共同努力奋斗的目标。花大力气做好基础研究,是支撑原创性技术工业化的关键,也是我们能始终保持技术领先的原动力所在。例如我们首次系统地提出了在碳材料负载的钴基催化剂中Co-Co2C界面是合成混合伯醇活性位的理论;首次提出了多孔聚合物配体自负载“新的均相催化多相化”概念,成为烯烃氢甲酰化工程化技术的重要理论依据。在2016年大连化物所“我们身边的科学家”报告会上,我曾以“怎样当研究组组长”为题与大家交流经验。在我看来,能解决实际问题的基础研究是催化技术原始创新的基础和源头;开展应用研究要主动适应国家经济发展的新常态,在瞄准国内市场的同时,也要积极开拓国际技术市场。在确定课题的时候,要将我国企业的实际需求与我们的研究积累结合起来。通过与适应我们技术特点的伙伴强强联合,来缩短研发时间,突破技术链上的瓶颈,实现从“科学语言”向“工程语言”转换,这样才能拥有推动科学技术向工业应用转化的“真本事”。

  作者簡介:

  丁云杰,浙江海宁人,博士、研究員、博士生导师。现任大连化物所合成气转化和精细化学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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