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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，由此中国人用自己的
2、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国家的发展命运息息相
3、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，建造了以煤为原料的9个费托合成油厂，使用常压
4、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年该公司销售额达170亿美元，实现利润28亿美元。目前
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
