汽油、柴油等石油化工产品在当今人们日常生活中的地位日益凸显。目前我国的炼油能力位居世界第二;汽油质量也开始使用国际最高的欧洲4号排放标准。而新中国的石油化工产业几乎一片空白到取得今天的成就,其中最重要的环节就是催化剂的应用。我国炼油催化应用科学的奠基人。2007年度国家最高科技奖得主——闵恩泽的科研工作。发挥了不可代替的重要作用。
催化剂,是现代炼油工业中最重要的一环,被誉为石化工艺中的“芯片”因此多年来各国的催化剂生产技术高度保密。新中国成立初期,我国的炼油工业刚刚起步,原油几乎全靠苏联进口。汽油、柴油更是稀缺,有一段时间,公共汽车上甚至使用煤气做燃料。
一、临危受命
闵恩泽:我们搞炼油的,实际上就是把大的分子,很长的分子,比如燃料油,分子大就很重,只能烧。我就把它切掉,变成小分子,变成汽油、煤油、柴油。我的工作是哪一部分呢,就是在这些变去变来里都要用的催化剂,日本人叫触媒,就是媒人。催化剂就是能让它变得快一点,按我的需要去变。
1959年苏联援建的兰州炼油厂建成投产,它是我国第一座生产航空汽油的大型炼油厂。但是不久中苏关系恶化,苏联开始提供次品催化剂。
闵恩泽:用这个次品一催,我们放一吨进去,一半就变成粉了,变成粉了就跑了,一会儿就碎了。
没有催化剂就生产不了航空汽油;没有航空汽油,我国国防和民用航空将陷入瘫痪状态。当时国内库存的汽油最多只够使用半年,临危受命的闵恩泽开始了他第一个国家急需解决的科研任务。
作为这次紧急任务的负责人,闵恩泽的压力可想而知。他每天吃在车间、住在办公室。不久,催化剂的研制就遇到了最大的难题。
闵恩泽:当时我们把它叫作小球硅铝裂化催化剂,这个圆球,3到5厘米这么大,对这个球的要求比较高,它的强度要求比较高,因为82米高,一会儿要把它催上去,又掉下来,又催上去又掉下来,强度不好,很快就会破了。小球的90%是水,10%是硅铝胶,它要把水排掉,收缩中间,应力很大,应力会让它破裂,那你就要设法把中间的应力减少。表面活性剂就能够减少应力。内因解决了,一下就上去了。
就是闵恩泽连续攻关了3个月的小球硅铝裂化催化剂,它的顺利投产不仅及时保证了我国航空汽油的供应,而且完整率达到了92‰超过了进口催化剂86%的完整率。
闵恩泽:1964年5月,我们开始投产,当时库存的催化剂到7月份就没有了。假如再晚投产两个月的话,飞机就飞不起来了。
小球硅铝催化剂只是建国初期闵恩泽解决的紧急任务之一,在当时西方国家对我国进行封锁、石油产品又不可或缺的情况下,国家还有更多更重要的任务等待着他。
1960年大庆油田的发现,使我国脱掉了“贫油国”的帽子,从此我国的原油不再完全依靠进口。但是如何将原油充分转化成可直接利用的汽油、柴油、煤油等等,在很大程度上取决于催化技术的应用。
闵恩泽:大庆油田开发后要建一个250万吨的炼油厂,这250万吨大庆油蒸馏出来的汽油在30%,有70%只能做燃料。
主持人:就是说只能烧掉。
闵恩泽:烧了,它不能开汽车。所以当时石油部又作出一个决策叫吃光榨尽。
所谓吃光榨尽就是要把原油尽量多地转化成汽油、煤油、柴油。把大庆的油尽可能高效率地应用起来。
为了吃光榨尽大庆油田的原油,闵恩泽用5年时间研制出微球硅铝裂化催化剂,并于1965年投产。它的研制成功使我国成为当时除美国、荷兰之外世界上第三个掌握该项技术的国家。有了这项技术,重油能转化为汽油、柴油和液化气,原油的利用率大大提高。有了这项技术,我国第一座年产250万吨的现代化炼油厂才得以建成投产(图2)。
二、报效祖国
2007年10月,闵恩泽到成都参加一个石油炼制技术会议。对他来说,到成都开会跟去其他的地方不一样,因为成都是他的家乡。
会议结束后,闵老特地去了他的母校——北京师范大学成都实验中学(其前身是四川省立成都中学)。母校的师生为他准备了隆重的欢迎仪式(图3)。
闵恩泽:我是作为学长来到这里看望大家,我希望跟我的学弟学妹们一样,永远记着教导过我们的老师。
对于自己的母校,闵恩泽除了感谢当年的老师之外,他记忆最深的还有那时在抗战中树立的读书强国的志向。
1948年闵恩泽从重庆中央大学化工系毕业后,远赴美国俄亥俄州立大学留学。在美国他用3年时间拿到了博士学位,同时也收获了自己的爱情。
闵恩泽的夫人陆婉珍女士也是我国石油化工界著名的科学家,中国科学院的院士。他们不仅是同行,而且是重庆中央大学的大学同窗。
1951年闵恩泽和陆婉珍在美国结婚后不久双双拿到博士学位,并且顺利地找到了工作。然而生活和工作上的稳定并没有让这两位年轻人感到心安,他们心里惦记的是自己的祖国。
闵恩泽:我们在那儿确实的感受是什么呢?不管怎么样,你是二等公民,你进入不了那个主流社会。对我感受最深的就是我们租房子,你打电话他有房子,等你跑去了,他一看是中国人,就说没有房子。等你回来再给他打电话,他房子还在。最让人气愤的是你跑那里去,他一看是中国人他门都不开,你敲门根本不理。
在美国的经历让闵恩泽更加强烈地感觉到,如果祖国不强大,无论走到哪里都会被人欺负。尽管那时美国想尽各种办法阻止留学人员回国,但是闵恩泽仍然几经周折于1955年回到了祖国。
阔别了8年的祖国,早已不是当初战火纷飞、民不聊生的样子,新中国的各个行业急需高科技人才来填补一项项的空白。回国后,闵恩泽和夫人陆婉珍一起被分配到石油工业部北京石油炼制研究所筹建处工作。
陆婉珍(中科院院士闵恩泽夫人):我们到了这个研究院,那时候大概六七个人,给了一套分工,每个人都要负责一个领域。他就是催化剂这个领域,他说小东西会影响大事情,这个领域虽然他没有进去过,但是这是一个很好的领域(图4)。
虽然回国前从没见过催化剂是什么样子,但是闵恩泽深深地知道,如果没有催化剂,新中国的石油工业将无法向前发展,如果没有合格的石油产品,那么国家的国防和经济发展也就无从谈起。从1955年我国石油工业刚刚起步,到1965年,10年时间,正因为有了闵恩泽的科研工作,才使得我国一跃成为当时世界上能生产各种炼油催化剂的少数国家之一。
三、老骥伏枥
文革10年,闵恩泽的科研工作基本停止,我国的催化剂技术又远远地落在了别人后面。
主持人:当时能看到我们跟国外的差距有多大呢?
闵恩泽:很大。他们已经把无定型的硅铝变成了结晶的硅铝,变成了分子筛催化剂了。这一
个催化剂美国使用之后,汽油转化率大幅度提高,被认为是炼油工业60年代的技术革命,60年代炼油工业的革命。它的科学技术知识基础变了,就相当于什么,到了数码时代,胶卷照像跟数码照像。它的技术的科学知识都变了,原来我们的硅铝它是表面催化,是外表的催化剂,它这个变成晶内催化了。所以它的作用更大。美国很快,美国大概1964年开始工业化,到了1969、1970年全部更新了。
国外研制成功的新一代分子筛裂化催化剂,使得原油转化为汽油、柴油、煤油等的单位转化率从49%提高到73%,其中汽油的转化率从32%提高到48%,从而产生了巨大的经济效益和社会效益。而我国的催化剂依然停留在60年代初的水平上。
文革结束后,闵恩泽意识到要想大幅度提高催化剂的研制水平,就必须找到新的催化材料,走自主创新之路,而不是永远只在后面追赶。上个世纪80年代,他提出在中国石油化工研究院设立基础研究部,开展新催化材料——非晶态合金催化剂的研究。
现任石油化工研究院副总工程师的宗保宁,从1985年读硕士研究生开始,就一直在闵恩泽身边从事非晶态合金催化剂的研制工作。
宗保宁:我觉得闵老师作为科学家,他的这个起点非常高,选题非常准,你要想从技术上开发成功,就必须站在学术的前沿。国外刚起步一种新的催化材料,就是非晶态合金催化剂,闵先生就给我选了这个题目。
非晶态合金催化剂从根本上改变了传统催化剂的特性,它使催化剂的活性和使用效率大大提高,当时在世界上还没有一个国家做出相关的成果。闵恩泽主持的这项研究从实验室研制到工业化应用一共持续了20年的时间。其中最难的问题之一就是工业化生产化工原料己内酰胺。
闵恩泽:70多岁时我开玩笑说,我是稀里糊涂就骑到老虎背上去了。因为这次研制流程最长,反应最多,设备最复杂,质量要求非常高,PPM(百万分率)级。因为它高速纺的时候,稍微有杂质就断丝。可之前我根本不知道这些。
宗保宁:每个阶段我们都是遇到困难就解决困难,闵先生的榜样力量特别重要,我不敢懈怠,就跟老先生在后面看着你似的,稍微一偷懒,就觉得不行,还得往前走。
从1985年到2005年,非晶态合金催化剂终于顺和J实现工业化。我国成为世界上第一个将这种新型催化剂成功地实现工业应用的国家(图5)。
宗保宁:产品杂质的含量少了,比如说咱们用的化纤产品,可以做仿丝绸、高级地毯这些产品了,以前只能做一些工业的产品,只能做轮胎和初级的产品,这样产品的价值就大幅度地提高了。
2005年,一度空缺6年的国家技术发明一等奖,授予了闵恩泽主持的这项技术成果,但是在获奖名单上,他把学生宗保宁的名字放在了第一位。
宗保宁:老先生教育我,对我印象最深的是,他常说你是一个团队的头的时候,最重要的是帮大家做成事,就是帮人家做成事,这个时候名和利,你作为头就得往后走走。闵先生的人格魅力就在于此。这么多年来他取得了这么多成果,我印象中却从来没有挂在前面。他总是把学生推出去,这次也是,闭先生之所以能够在周围凝聚这么几代人不断地创新,是他的魅力。后来我当室主任、当副总,我也是帮大家做成事,帮我们那些博士、项目骨干做成事。
四、永不停步
如今,已84岁的闵恩泽依然非常忙碌,如果说过去闵恩泽一直考虑的是如何高效利用石油资源,那么近几年他则关注的是未来人们利用什么样的能源来替代石油这类不可再生的化石资源,从而实现能源的可持续利用和生态环境的科学保护。
主持人:现在实际上是解决未来的问题,未来我们将靠什么能源。您现在正在研究生物能源?
闵恩泽:对。未来是这样的,可再生资源,它是取之不尽用之不竭的,化石最终总要消失的,当然,那可能是一百年二百年以后的事了。我们希望生产的产品是可以生物降解的,能回归自然。现在有个提法是,过去我们是碳氢化合物时代,石油、煤都是碳跟氢,以后要变成碳水化合物时代,这是一个很大的时代的变化。我们现在开发的主要是生物柴油,它可以用油料作物,什么菜籽油,棉籽油,棕榈油等等,但现在的国家政策是不与粮油争地。食用的不能拿来做,它的价钱也很贵。那么现在我们中国有什么呢?我们有很多木本的植物油,像麻疯树,小桐子,还有黄连木,还有之前我们发现的湖北的石栗树,这些不能食用的,就是开发的最关键的问题,也就是资源。
但也有好多问题,成本还是很高。它是很复杂的一个系统工程。
主持人:您实际上是从研究石油开始起家的,但是现在开始研究的是替代石油,是在革这个石油的命。
闵恩泽:而且,它将是一个很长的过程。
闵先生平时经常用《西游记》中唐僧取经的例子来比喻他的科研工作,他说,大部分时候自己是唐僧,指导大家做事;有时候要做孙悟空,去攻关;还有时候要当沙和尚,去给大家搞好后勤工作。但不管西天的路有多少风险,有多少困难,认准了的目标就一定坚持到底。(图6)就像他现在正在做的生物柴油,他希望能尽快找到更好的解决办法,让国家的能源得到可持续利用。
闵恩泽:一个人要成功,首先还是要奉献一生,要勤奋,我们说很多事情即使我没有别人聪明,他做一遍,我做两遍、做三遍,我的时间比他花得多,那你一次一次,就一定会有提高,就是用汗水才能换来的。