煤制油的科学人生.doc

1、煤制油的科学人生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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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，

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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