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院士李大东:以国家重大需求为导向开展科技自主创新

来源: | 日期:2022-8-10 10:06:05 | 访问:次 | 字号:

记者:您作为我国著名的石油炼制工艺及催化剂专家,长期以来从事加氢催化剂研究工作,能否给读者简单科普一下什么是加氢催化剂?院士李大东:以国家重大需求为导向开展科技自主创新

李大东:石油是碳氢化合物,所谓炼油实际上是把石油转化成石油产品,其主要目标是把重油变为轻油,像目前市场上的主要石油产品汽油、航煤、柴油等都是轻质的。所以这样一个转化过程,实际上也是碳和氢重新分配的过程。从石油的不同馏分来看,越轻的组分中氢的含量越高,越重的组分中氢的含量越低,所以重油转化过程中必须要加一定的氢。打个比方,如果说我们原油的氢含量是12,那么像汽油、航煤、柴油这类轻油的含量就是13,而像蜡油和渣油这类重油的氢含量一般是11,所以我们一般转化的就是这类重油。这种转化通常有两种办法,一种是脱碳,就是把重油里的碳拿掉一部分,这样剩余组分里氢含量会变高,国内外早期的炼油工业都是以脱碳这种方式为主进行重油转换,脱碳的这部分资源会变成焦炭等产品,利用价值不高。另一种办法就是加氢,因为脱碳会使脱出去的那部分碳不能很好的利用,但是若能加进去一定比例的氢,让其转化成轻组分,那这类石油资源就能得到高效利用,这就是加氢催化剂的作用。此外,可以说炼油加氢的过程也是对石油产品精制的过程,所以说加氢技术是炼油工业的关键核心技术。

记者:您在很多场合都谈到过炼厂转型这个话题,在当前“双碳”背景下,未来炼厂转型的路径是什么?其转型技术核心又是什么?

李大东:从当今炼油工业的发展趋势来看,柴油已经过了消费峰值,汽油正在接近消费峰值,航空煤油还有一定的增长空间,所以总的产品需求量还没有到达峰值,因此我们石油产品的总体需求量还有一定的增长空间,但也不多了。那么随着石油产品消费峰值的到来,在未来更长的时间范围内,石油产品的需求下降将是不争的事实,这时我们宝贵的石油资源将更多的变成生产化工原料的生产材料,因此我们的炼厂就要逐步转型。未来炼厂的转型也有两种类型,一种是转为化工型炼厂,另一种则主要向炼制特种油品转型,像润滑油,特种蜡等,虽然这些产品的价值较高,但绝对需求量不像汽油、柴油那么大,因此从炼厂的效益来说,将来会有一部分炼油能力转炼特种油品,但从规模来讲,大部分还将转为化工型炼厂。

在转型过程中,我们也不能不计成本和代价,现在我们有很多大型的石化厂区是炼油厂和化工厂结合在一起的,如果能首先从这些工厂进行转型将是最经济有效的。对于现在以生产燃料为主的炼厂,将来可以转型为以生产化学品为主、生产高质量油品为辅的工厂,对这样的转型炼厂,我们也不追求所谓化工品产量的最大化,而是要追求效益最大化。举个例子,我们设想这样的炼厂,它生产出来的低碳烯烃和芳烃,不要在炼厂自己再进行分离加工了,而是输送到隔壁化工厂里进行分离加工。如果这个化工厂的产量不需要扩产的话,那就停一部分石脑油裂解炉,而接受隔壁炼厂输送过来的低碳烯烃和芳烃,这样就能使工厂平稳的转型过渡,且实现效益最大化。作为企业,我们首先应该根据市场的需求来组织生产以实现企业的效益最大化,而我们转型的方式和提供的技术也应该按照效益优先的思路,并结合炼厂的实际情况来开发转型需要的技术。

炼厂转型最核心的技术还是重油转化技术,从生产燃料油品为主转化为生产化工品为主,不同的重油转化技术决定着不同的产品生产,因此这项被我们称之为“SHMP”的炼厂转型技术,也是我们正在开发的一项化工型炼厂的核心技术。

记者:我国从2020年7月1日起执行了汽车燃油国六A标准。从明年7月1日起将执行国六B标准,应该说这个标准已经达到国际先进水平了。结合我国资源禀赋及炼油工艺实际情况,您觉得我国在未来的清洁燃料领域是否还有提升空间?院士李大东:以国家重大需求为导向开展科技自主创新

李大东:欧洲现在执行的是欧六标准,从欧六各项指标来看,我们国六标准跟它基本在同一个水平,个别指标还略高一点。未来随着环境要求的提高,我们的产品质量也必然要提高,但目前都处于酝酿阶段,还未形成新的标准。从油品技术开发角度来讲,研究工作必须超前考虑提高产品质量需要准备哪些技术。

目前,在汽油升级面对的主要问题中,汽油硫含量是10个ppm,这个值未来可能维持不动。对汽车制造厂商来讲,他们想要提高汽车内燃机的效率,这就要求汽油中的辛烷值要高,这样可以提升内燃机效率,另外还希望减少烯烃、芳烃,这样有利于减排。但这个想法是矛盾的,因为烯烃和芳烃都是高辛烷值组分,减少它们是可以做到的,但如果还得保持甚至提高辛烷值,技术上就有相当的难度,唯一的办法是加醇。比如说乙醇是一条途径,但汽油的氧含量有一定限度,另外乙醇的原料是粮食,也不够大规模工业生产的量。从烃类的组成来看,除了醇类,就是异构烷烃,所以如果要进一步减少烯烃与芳烃,还要保持高辛烷值,就只有增加异构烷烃的比例。增加异构烷烃的途径有两个,一个是增加烷基化,这就要求催化裂化要多产碳4以提供更多的烷基化原料,这是一条途径。另一条途径就是增加碳5、碳6的异构化比例,但是碳5、碳6异构化原料有限,另外它的辛烷值如果到碳7会更高。目前全世界工业化的只有碳5、碳6,碳7还在研究阶段。大家都在研究碳7的异构化技术,主要难点是解决异构化和裂化的矛盾问题,这是一个比较棘手的技术难题,但我觉的这项工作应该做,而且是有意义的。

柴油现在的硫含量和汽油一个水平,也是10个ppm,今后主要是降低多环芳烃,因为多环芳烃的排放会产生颗粒物,而颗粒物跟雾霾又有直接关系,所以要想进一步改善我们的空气质量,改善环境,柴油还要进一步降低多环芳烃。现在的多环芳烃值是7,如果未来要降低到5、4甚至是3,我们现有的技术通过进一步的优化,比如在RTS这样的技术基础上进一步改进和提高,是有可能达到的。所以对于进一步提高油品质量,从研究单位来说,我们得提早根据这个需求做好相应的技术准备,这也是我们的责任。

记者:有数据显示,目前我国乃至全球范围内优质石油资源数量在下降,优质石油资源降低是否会对我国炼油工业造成影响?我们该如何应对化解?

李大东:世界原油质量变化总的趋势是变重,API度在10-26之间的可采储量在10年前占总量的11%,目前已上升到14%。同时,全球剩余可采储量中,硫含量>1.5%的高硫原油约占70%以上,这是一个大趋势,也是我们今后必须面对和解决的问题。另外刚才谈到的,随着环保法规日益严格,油品升级的步伐也在加快。北京已于2017年起执行京六车用燃料标准,苯、多环芳烃、烯烃等含量大幅度降低,并正在酝酿下一阶段车用汽柴油标准;全国也已于2019年执行国六A阶段车用汽油标准和国六车用柴油标准,明年起执行国六B车用汽油标准。未来,不能满足排放标准的燃料将无法进入市场。因此,炼厂在使用日益劣质的原油,但还要保证清洁化地生产优质燃料油,难度前所未有,只有依靠技术创新。

记者:作为科学家,最重要的品质是什么?在商业社会,科学家是否应该具有商业思维或市场意识?

李大东:我觉得作为中国科学家,最重要的品质首先就是要根据国家战略需求,做国家需要做的工作。其次像我们这样企业中的科学家,也必须要根据市场需求,超前谋划布局技术研发工作。比如刚才提到的清洁燃料技术,从国一到国六标准的升级,基本都是依靠我们国内自己开发的技术支撑,而且这种开发一定是要早于标准执行若干年的,这就要求科学家必须要提早谋划,超前思考,预判市场走势,从而研发新技术,推动社会进步,我觉得这是科学家必须要有的基本素质和品质。

记者:石油化工科学研究院历史上有不少著名科学家,您很年轻时就与他们一起工作,他们对您有何影响?

李大东:石科院历史上走出了侯祥麟、武迟、闵恩泽和陆婉珍夫妇等老科学家,从这些科学家前辈身上,我确实学到过很多非常宝贵的东西。闵恩泽院士每次修改科研报告时的敬业精神和严谨态度,令我印象深刻;武迟院士每次对会议的总结都全面、深入、独到,并且更上一个层次,令我记忆深刻;侯祥麟院士正直、无私的品质,及其所具有的高远的战略眼光,令我永志难忘。都说活到老、学到老,其实不仅仅是这三位科学家前辈,我们身边每一个人的身上都有值得学习的地方,特别是作为研究人员,做到这一点对我们自身提升非常重要。

记者:在过去的工作中是否也有遗憾?院士李大东:以国家重大需求为导向开展科技自主创新

李大东:你这个问题,我曾经也思考过,我今年已经84岁了,如果要说遗憾的话,我个人的感觉是我们过去几十年里原始性创新的工作还是太少了。目前从科研的硬件条件来看,我们不比西方差,有的甚至还要好一些,那就理应做到全世界第一才行,但毕竟跟踪模仿容易,争第一拿冠军难。这个问题我琢磨了好久,认真总结了世界炼油工业技术发展的历史,看看人家是如何做到第一的,所以我2011年在《科技导报》发表了那篇《技术创新的思路从何而来?》的文章。

记者:您觉得制约我们原始性创新发展的障碍是什么?如何克服?院士李大东:以国家重大需求为导向开展科技自主创新

李大东:我觉着应该是两方面因素造成的。从客观上来看,跟我国石油工业起步较晚有关。1959年大庆油田开发以后我们才有了资源条件来发展现代炼油工业,有了“五朵金花”,但那时国外的很多技术已经很成熟了,结合我国社会主义经济建设的具体需求,我们已经没有必要再另辟蹊径从头开始。所以在很长一段时间内,我们的炼油工业技术研发就是以跟踪模仿为主。从主观上来讲,和我国原始创新能力的培养不足有关,这一点很重要。现在我们做了很多的补救工作,比如加大科技奖励力度等,但这些远远不够。这个问题的根本在于国家应从教育入手,从小就培养孩子的创新思维,鼓励各级学校教育孩子走原创型路线,而不是跟踪模仿别人,但这不是一天两天能解决的。另外我们必须要加强基础研究水平,因为原始性创新技术开发是为国家的重大需求和未来市场的重大需求服务的,那原始创新的思路从何而来?基础研究就为其提供了新的知识和认识,现在全世界也都在走这样的路线。当前我国经济社会发展已进入新阶段,我相信未来必须也一定会解决原始性创新问题。

记者:您认为创新思维该如何培养?

李大东:刚才谈到了我写给《科技导报》的那篇文章,今年我在给石科院研究生和中国石化管理干部学院学员讲课时也谈到了“技术创新的思路从何而来”这个问题。技术创新是研究开发新技术,包括原始创新或者改进原有技术,并将这些新的技术成功商业化而创造价值的全过程。技术创新的实质是创造技术差异,目的是获得竞争优势,产生更大价值。技术创新的过程需要根据市场需求来确定需要开发的技术,在对现有技术进行全面分析、梳理的基础上,以缺点、不足为突破口,找准问题,逐个解决,形成新技术,最终用于市场、创造利润。技术创新是一个过程,起点就是正确地找到问题,如果能找对问题,就找对了解决问题的方向,技术创新就成功了一半。

在这个过程中,原始创新构思的形成则包含必然性和偶然性因素。微生物学家巴斯德曾说过:“在观察的领域中,机遇偏爱那种有准备的头脑。”数学家华罗庚说:“如果说科学上的发现有什么偶然的机遇的话,那么这种偶然的机遇只能给那些学有素养的人,给那些善于思考的人,给那些具有锲而不舍的精神的人,而不会给懒汉。”闵恩泽院士也说过:“原始创新的幼芽,是植根于必然性的沃土之中。只有把勤勉的汗水滴进实践的土壤里,机遇的奇葩才会吐艳。”要取得创新,打开思路很重要,那我们又该如何取得创新思路的来源呢?其实这些思路就在我们的身边,在眼前。比如国内外实践案例的分析;文献的启示和讨论;试验中的意外发现;已有科学知识的新应用;其他行业、专业会议的收获;移植其他学科的知识;与其他行业知识的集成;基础研究科学知识的积累;科技前沿开拓的知识积累等等。通过梳理历史上成功的技术创新案例,我们会发现技术创新以市场需求为导向,是从市场中来,到市场中去的过程,只有在解决关键技术问题之后才会产生技术创新,找准这些关键技术问题,就为技术创新指明了方向。所以说找准问题是技术创新的起点,是技术创新思路的源头。

记者:您现在的关注点在哪些方面?

李大东:新指明了方向。所以说找准问题是技术创新的起点,是技术创新思路的源头。我现在的关注点都是一些比较大的问题,比如汽油C7异构化的问题,现在我也专门安排了一个学生在做这方面研究,虽然现在看起来还有很大难度,但并不等于不能解决。另外向化工炼厂转型的问题也是我关注的,现在我们的团队也正在积极攻关。

记者:您参加科研工作60多年了,这一甲子的时光走下来,有何心得体会?院士李大东:以国家重大需求为导向开展科技自主创新

李大东:我1962年从北京大学化学系毕业,到石油科学研究院工作,至今整整60年。亲身融入了中国炼油技术从跟踪、模仿、再创新到自主创新的各个阶段,亲身参与了我国现代炼油工业的建设。最近中国石化管理干部学院要我给中国石化近两年新进的1500名大学生和硕士、博士生讲课,我的授课题目就是《60年科研工作的体会》,这里面我主要讲了八点体会,今天也分享给大家。

第一,热爱是最好的驱动力。从事科研工作,要想有所建树,首先要热爱它,而不是简单地把它看成是一种职业和任务。只有这样才能全身心投入,才能不分白天黑夜地冥思苦想,才会有成功的可能。也只有热爱,才有积极性和主动性,主动想事情、做事情,而仅靠每天八小时是成不了科学家的。

第二,自信心来源于用掌握的知识解决实际问题。中国要实现高水平科技自立自强,科技人员树立自信心尤其重要。我们要扎实地掌握必要的基础理论知识,并在科研实践中学会如何运用你的知识解决实际问题。这样反复实践的过程就是自己水平和自信心不断提高的过程。而自信心来源于在技术上踏踏实实干成几件事。

第三,虚心学习将使我们终生受益。古人云“三人行,必有我师”,这是至理名言。虚心向身边的人学习,活到老,学到老,必将受益终身。世界上成才的道路有千条万条,其中最容易做到而又最容易被忽视的一条途径,就是寻求别人的帮助和指导。从某种意义上说,一个人如果一生都能虚心地向周围的人求教,尤其是诚恳地向老同志和老前辈学习,那他就把握住了打开成功之门的钥匙。

第四,团结合作才能最大程度地发挥个人的作用。要认识到团队的作用很重要,特别是对于应用技术开发,团队的作用是决定性的。个人在团队中有重要作用,但是必须学会尊重别人并承认别人的劳动,这样别人才会尊重你。团队合作,是人力、财力和物力的汇集和再分配,无疑,人是最关键的因素。1991年开始,中国石化采用“十条龙”模式组织科技攻关。其最大的特点就是科研、设计、生产、设备制造、工程建设等单位团结协作,联合攻关,将科技成果直接转化为生产力。这一过程需要科研、设计、生产的精诚团结,紧密配合,研究开发是基础,工程设计是桥梁,生产单位是依托和主体。无疑,人是合作的最关键要素,合作者既要有很高的业务水平,也要有充分的团队意识,既要做好自己,也要尊重别人,才能目标一致,形成合力。至今,这一模式已发挥出巨大效益。

第五,抗挫折能力是人生成功的必要素质。在研究工作中要取得重大突破并有所创新,必须培养百折不挠的勇气和毅力,学会解决各种问题的途径和方法。闵恩泽院士经常说:“试验挫折,好似吃‘麻辣烫’,越辣越爱,坚持下去,终获成果”。上世纪80年代初,石家庄炼化大庆常渣催化裂化工业试验成功并大量推广应用,创造了显著的经济效益和社会效益。问题也随之而来:催化柴油氧化安定性差,颜色变深,产生沉渣,总部要求尽快解决问题。我们在分析原因时发现,国产原油氮含量高导致催化柴油中杂环氮化物含量高,是安定性差的根本原因。尤其是碱性杂环氮化物,如吡啶类,是影响安定性的主要因素。因此我们决定以吡啶为模型化合物,利用微反,开发加氢脱氮催化剂。经过研发,选出3个催化剂,信心满满的到齐鲁临氢实验装置评价,结果远不如目标催化剂N-22,大家情绪都十分低落,自信心受到沉重打击,但一致认为不能轻易放弃,于是总结原因。在实验室里发现,催化剂微反评价用的是模型化合物吡啶,而在齐鲁临氢装置用的是催柴,其中含有多环芳烃,与脱氮的目标反应物吡啶类氮化物形成竞争吸附,导致脱氮效果明显下降。原因找到后,我们有针对性的改进催化剂性能,到1982年石科院自己的临氢实验装置也建成,问题得到完美解决,所开发的RN-1催化剂性能明显优于N-22。在广石化工业装置上成功应用,1994年出口到意大利ENI公司,1989年获得第一届世界知识产权组织与中国专利局联合颁发的10项发明专利金奖之一,1991年,获得国家科技进步奖一等奖。

第六,也是刚才谈到的,准确地找准问题是解决问题的第一步。

第七,站在更高层面把握研究方向和思考问题。高度决定视野,学会站在更高层面把握研究方向和思考问题。即使现在是一个课题组长,负责某一具体课题,但考虑问题也应站在该领域、甚至整个石化行业的战略高度,要培养全局观,这样才有可能使你开发的技术发挥更大作用。

第八,要以国家重大需求为导向开展创新和突破自我。我们还需要学习和掌握根据国家重大需求来开拓前人从未做过任何工作的新领域、探索解决问题的新方法,即做好原始性创新工作的方法。其基本途径还是通过实践来培养和帮助一大批中青年科技骨干成为做这类工作的领军人物,只有这样,中国的炼油工业才能做到国际领先。


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