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舒兴田:为了催化剂技术和物耗达到国际领先水平

来源: | 日期:2023-7-14 10:33:15 | 访问:次 | 字号:

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记者:舒院士,您长期从事分子筛炼油催化剂的开发和工业应用研究。请先为我们读者科普下什么是分子筛催化剂?相较于其他催化剂,它的特点有哪些?在炼化领域有哪些重要应用?

舒兴田:分子筛是由无机硅铝等组成的一种多孔材料,具有吸附、催化,以及离子交换三大功能,广泛用于石化、环保,以及煤化工领域。

我国分子筛行业起步较晚。上世纪50、60年代,国内开始研究分子筛,合成了A型、X型、Y型等分子筛,并进行工业生产;随后陆续在上海、大连、河南等地建厂,主要用于生产分子筛吸附剂和脱水脱氧用分子筛;上世纪80年代,开始研发并工业化生产分子筛催化剂。

分子筛催化剂易于回收处理,且无毒无味、无腐蚀性,是环境友好型的新型催化材料。与金属氧化物催化剂、金属催化剂等相比,分子筛催化剂具有更高的性能与成本优势,在应用中可以提高所需产品的产率和选择性。

在石化领域,分子筛被用来作为催化剂材料,可以助力石油生产出各种产品,如乙烯、丙烯、液化气、汽油和柴油等。目前,分子筛催化剂在国内炼油催化材料中的占比接近80%。数据显示,我国炼油催化材料的产量每年大约26万吨,其中分子筛材料的产量超过20万吨。可以说,分子筛催化剂是支撑我国炼油和化工行业发展的重要催化材料。2022年,我国原油加工量达到6.8亿吨。其中2.5亿吨的原油需要通过分子筛进行催化。

近年来,分子筛催化领域比较重要的进展是国内双氧水制环氧丙烷技术得到了比较迅速的发展。作为一种基础性石化原料,双氧水环氧丙烷位居聚丙烯和丙烯腈之后,是排名第三的丙烯类衍生物。环氧丙烷用途广泛,是聚氨酯泡沫、保温材料、涂料等材料的主要原料之一,在冰箱、空调、汽车等行业很常见。

目前世界上环氧丙烷的生产方法主要有氯醇法、乙苯共氧化法及双氧水直接氧化法。氯醇法和乙苯共氧化法工艺污染较大、工业水处理成本较高,已被国家发改委列入禁止新建项目使用技术。双氧水直接氧化法是以钛硅分子筛为催化剂,以甲醇为溶剂,在适当的反应条件下,丙烯和双氧水在液相体系中进入催化剂床层发生氧化反应,生产环氧丙烷和水。该工艺流程相对简单,无副产品生成,减少了产品后续处理设备和设施,整个生产过程基本没有污染,是未来环氧丙烷产品的新型主流生产路线。和国外相比,我国双氧水制环氧丙烷的研究比较晚。国外于2008年在该领域实现了产业化,我国从2014年才开始生产,晚了6年时间。目前,中国石化自主研发的双氧水制环氧丙烷成套技术已获得授权发明专利17项,其中国外专利12项,总体技术达到国际先进水平,其中催化剂技术和物耗达到了国际领先水平。

记者:目前您在科研领域的关注点有哪些?关注的原因是什么?

舒兴田:在双碳目标和能源转型的背景下,我主要关注三个方面的问题:一是常规油品的效能提升,二是石油向特殊油品转型,三是石油作为化工材料的最大化应用。

近年来,我国新能源汽车发展快速,已经连续多年稳居新能源汽车第一大国。根据中国汽车工业协会统计,2022年国内新能源汽车产销分别完成705.8万辆和688.7万辆,同比分别增长96.9%和93.4%。这给作为交通燃料的石油等传统能源带来了很大挑战。2022年,全国成品油消费量为3.45亿吨,同比仅增长了0.9%,其中汽油同比下降4.6%,航空煤油同比下降32.4%,只有柴油同比增长了11.8%。与此同时,我国炼油产能却严重过剩。2022年我国炼油能力达到9.2亿吨,超过美国成为第一大炼油国;同期,石油消费量超7亿吨,过剩炼油能力超过2亿吨。我国石油消费达峰的日期越来越近。中国石油发布的《世界与中国能源展望》预计,我国石油消费将在2030年达峰,消费总量7.8亿。今年3月,中国石油发布的《国内外油气行业发展报告》显示,2022年中国的石油表观消费量为7.19亿吨,同比下降0.6%,是近30年以来的首次负增长。预计,2023年国内石油消费量7.56亿吨,同比增长5.1%。可以说,留给我们石油行业的时间已经不多了。看到挑战的同时,我们也不要太悲观,虽然石油消费的增速放缓了,但在较长一段时间仍会是重要的交通燃料,仍然会占有较大比例。针对这部分石油产品,我们要用更绿色、更高效的技术提升其功能效率。

其次,石油要向特种油品和化工材料转型。特种油品是指具有特殊用途或用于专门设备的石油产品,因其质量高、生产量和使用量较少,不便于普遍经营,因此将它们从一般石油产品中分离出来,并命名为特种油品。按照用途进行划分,特种油品主要包括特种真空油脂,特种润滑油脂,防锈油脂和其他石油产品添加剂。它们通常应用在矿物润滑油无法适应的特殊场合,包括原子能、宇航、电子等新兴领域。

实际上,石油作为化工原料的增长空间还很大,2022年在汽油和航空煤油消费下降的同时,国内化工用油实现了6.4%的增长。化工原料如何进一步加工成化学品,也是我们关注的问题。总之,无论是提高石油产品能效,还是转型做化工材料和特种油品,都需要催化材料做支撑。催化材料的使用可以帮助我国实现石油和化工产业绿色转型。

2022年,石油化工科学研究院、青岛石化和催化剂公司等共同承担的“多产丙烯和低硫燃料油组分的催化裂化与加氢脱硫技术开发与工业应用”(简称MFP技术),被专家组一致认定技术创新性强,属国际首创。该技术可以广泛应用于低成本新建或改造现有催化裂化装置,实现灵活调整低碳烯烃、汽油和低硫船用燃料油等不同目标产品的生产方案,有效拓宽目前炼厂燃料油调和配方的选择范围,为进一步降低汽柴油产率、实现“油转化”“油转特”探索出了一条新路。

习近平总书记曾要求,国内经济要实现高质量发展。高质量发展的内涵之一就是实现低碳发展、绿色发展。这就要求我们石化行业提升传统油品质量、向高端产品延伸,其间分子筛催化剂的作用不可小觑。所以,我认为炼油工业是传统产业,但不是夕阳产业,还有好多事情可以做。

记者:从大学毕业至今,您一直在石油化工科学研究院工作,是什么支撑着您能够安于长期坐冷板凳?

舒兴田:如你所说,我在这个研究院已经工作快60年了。1964年,我从华东化工学院毕业后就进入石油化工科学研究院(下称石科院)第二研究室工作;1970年至1983年在石科院第十四研究室工作;1984年至1999年在石科院第二十二研究室工作,先后担任题目组长、主任工程师、室主任、高级工程师等;2000年开始担任石科院办公室学术委员会副主任等。在这个大院心无旁骛地工作一辈子,首先与我的人生观、价值观有很大关系。我所接受的教育是:活着最大的价值就是要为国家繁荣富强贡献自己的一份力量。对我来说,这是最有意义的事情。

其二,高度热爱自己的工作。虽然我今年已经80多岁了,但是每天早上6点就来办公室上班了,一天工作8、9个小时,甚至10个小时。上班的第一件事情,就是先把世界范围内最重要的、跟我专业有关的报刊杂志浏览一遍,对于新观点、新进展等内容保存下来,然后在合适的时间进行深度阅读,为自己的研究做资料储备。此外,每天要和学生们进行交流,对他们的工作进行一些指导。对我而言,工作是享受,不是负担。每当自己的想法在企业中得到实施,以及对国家发展做出贡献的时候,我就会感受到由衷的幸福。

其三,要有正确的名利观。坦率讲,在我毕业后的17年时间内,工资一直没有上调过。当然作为上世纪60年代工作的人,当时的工资基本都是一个水平线,我也从来不向组织要求过提高待遇。我相信只要认真工作,组织一定会给每个人公平的回报。这算是我的名利观吧。此外,要学会拒绝诱惑。现在媒体和娱乐业很发达,在丰富年轻人生活的同时,也很容易让他们迷失自己。对于致力于做研究的年轻人而言,这很不利。做学问需要沉下心来,广学博记,并钻研大量文献资料、需要苦思冥想、创新思路,这样才可能融会贯通,做出成绩。我真心希望现在的年轻人能把更多的时间和精力用在工作上,而不是用在手机、社交媒体等领域,真正能够为国家富强做出贡献。这样的话,不仅是组织,社会大众也会给我们一份公平的回报。

记者:工作这么多年来,有哪些让您念念不忘的片段,或者人和事?

舒兴田:工作以后,最难忘的就是我带领团队研制出ZRP、SRNY等多种分子筛,在催化裂化、加氢、乙苯合成等反应中得到广泛应用,带来了一定的社会效益和经济效益。当时国内外用作催化材料的常规ZSM-5分子筛,都由同晶导向合成,而ZRP分子筛是釆用异晶导向、水热固态离子交换等新方法制备,不仅含磷和稀土,并且兼有二次孔的五元环结构。ZRP分子筛独特的制造方法带来了优异的酸稳定性,保证了催化剂再生、反应的需要。自1993年起,该种分子筛已经陆续在长岭和周村两个催化剂厂的生产中应用,并逐渐发展为ZRP-1、ZRP3以及ZRP-5等多个品种,年产量达1000吨以上,每年有数百吨出口。

ZRP分子筛的投产带来了良好的经济效益和社会效益,不仅被国家科委评为1995年十大科技成就之一,还获得了中国石化1997年发明奖一等奖。这让我很高兴。

SRNY是沉积硅和稀土氧化物与Y型分子筛水热反应后,通过独特的改性方法研制成的超稳Y分子筛。该分子筛自1988年在长岭催化剂厂正式投产以来,已生产近万吨,配制成约2万吨的重油裂化催化剂。由于SRNY分子筛催化剂的催化性能与国外同类超稳剂水平相当,不仅使炼化厂获取了巨大经济效益,也为国家减少了同类催化剂的进口,节约了大量的外汇支出。SRNY裂化催化剂项目不仅获得了1995年国家发明奖二等奖,也获得了1993年中国专利优秀奖和中国石化发明奖一等奖。

1999年,我被评为了中国工程院院士,这是我职业生涯中很重要的一件事情。当时我深感自己和老一辈院士差距很大,不愿意去报名评选,是时任石科院院长李大东一再劝说,我才决定参选。当选院士后,我当然很高兴,可也明白这并不代表我的科研水平业随之提升了,只能说我在某个领域内曾做过一些事情。此外,这也让我更加深刻感受到,只要热爱工作、认真工作,就一定会有回报。

记者:在与科学对话的过程中,您最大的收获是什么?

舒兴田:收获很简单,但是对我而言很珍贵。在深入科研的过程中,每当有了新的研究发现,就会让我很兴奋、很愉悦。这是一种精神上的满足与享受。此外,做科研不仅能养家糊口,更可以支撑国家发展,这会让我产生极大的价值感。(记者:唐大麟)

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