绿色与创新纪录


他被公认为我国炼油催化应用科学的奠基人,石油化工自立创新的先行者,绿色化学的开拓者。

                 ——国家最高科学技术奖评审委员会对闵恩泽的评价

人生如炬,燃烧自己,照亮能源产业,把创新当成快乐。

——“感动中国”组委会授予闵恩泽的颁奖词

 

提及绿色化学,首先要谈环境保护的重要性。闵恩泽拿出三本书给我看。一本是1962年美国女作家蕾切尔·卡逊所著的《寂静的春天》,首次揭露了杀虫剂对生态的损害性,第一次向世人敲响了生态破坏带来严重后果警钟,揭开了生态学时代的序幕。第二本是1972年美国丹尼斯· 米都斯等人所作的《增长的极限》,这本书有力地促进了全球环保运动的开展,是环境理论的奠基之作。第三本是美国的芭芭拉·沃德·勒内·杜博斯所著的《只有一个地球——对一个小小行星的关怀和维护》。闵恩泽说:这三本书被称为环境保护的经典之作,标志着全人类对环境问题的觉醒。

在近代世界经济发展历史中,对于环境保护,人类经历了觉醒、奋起和飞跃三个阶段。20世纪40-50年代,在工业发展的初期,废物的排放量小,所以可以直接排放到空气和河流中,不会对人类健康、生态环境等造成危害,这个时期,是环境保护的稀释阶段;到了20世纪60-70年代,工业发展,废物稀释排放对环境造成了严重危害,于是人们开始限制废物排放量和浓度,并着手整治环境,进入了“先排放后治理”的阶段;直至20世纪90年代,人类终于认识到要从源头根治环境污染,不排放废物,这导致了绿色化学的兴起。

绿色化学是用化学方法去减少或消灭那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂及试剂、产物、副产物等的使用和产生。绿色化学的理想在于不再使用有毒、有害的物质,不再产生废物,不再处理废物。它是一门从源头上根治污染的化学。

闵恩泽为我在纸上绘制了一个绿色化学的示意图,他说这一看就更清楚了:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

我看了看,问他:您怎样去做到原料的绿色化、化学反应的绿色化和产品的绿色化呢?“这就要依靠科学技术自主创新。”闵恩泽将他2008年的新作《石油化工从案例探寻自主创新之路》一书赠送与我。这本书讲了自主创新的三原则:原始创新来自科学知识基础的转移;创新来自联想,联想源于博学广识和集体智慧;各尽所能,发挥团队精神,克服挫折失败,坚持到底。然后列举了国内外的多项创造发明加以论证,其中也有绿色化学的案例。根据这本书的线索,我进一步了解了自主创新与绿色化学的关系。

 1991年,闵恩泽从《催化科学与技术》上首次看到一篇文章引用福斯特的技术进步S型曲线规律,即技术进步通常经历培育期、成长期、成熟期和衰老期的发展阶段;当某一技术达到或接近其发展极限时,技术进步将通过非连续式”——即转移到一个全新的和完全不同的知识基础上来实现。1930年至1980年间化学工业的重大新技术开发就遵循了这种S型曲线规律。

闵恩泽有一位画家朋友,告诉他作为画家需要两项基本功:一是临摹古今中外的名画,学习其中的精髓;二是广泛写生,收集大量的山水、人物、草木等信息,然后将这些所见美景加以联想,进行创作,所以画家说创新来自联想。这几句话,画家不知道跟多少人说过,但几乎没有人注意到或者说没有产生共鸣。可闵恩泽却从画家的话里得到了启发。他认为,做科研何尝不是如此:一是熟读古今中外有关的书籍、论文、专著;二是广泛收集各种需求,作为一名科学工作者需要知道国家今天、明天、后天需要什么。闵恩泽的体会是创新来自联想,联想源于博学广识和集体智慧。

一个人能在一生中,担当一次国家的重托,已经实属不易,可闵恩泽却在一生中,时时刻刻都把国家的责任挑在肩头,这种高度的责任感,这种神圣的使命精神,使每一个接触过他的人都肃然起敬,为之深深感动。他常常拿西游记中的四位主角作比喻:“作为领军人物的唐僧,目标明确,坚忍不拔,知人善用;身为中坚骨干力量的孙悟空,赤胆忠心,能征善战;负责助攻的猪八戒,是团队中的第二梯队;沙和尚则负责后勤支持,脚踏实地,吃苦耐劳。闵恩泽绘声绘色地说道,“自主创新的精神支柱是各尽其能的团队精神和战胜困难、坚持到底的精神。”

闵恩泽向我介绍了在上述三条自主创新原则的指导下,通过原始性创新实现绿色技术的三个实例。

 第一个是喷气燃料RHSS新工艺的成功开发。喷气燃料是民航和军用飞机燃料,其中的硫醇不仅使油品发出臭味,而且对飞机材质有腐蚀作用并影响燃料的热安定性。国外普遍采用液体碱作为催化剂,通过催化氧化反应加以脱除,但同时产生废碱排放,污染环境。上世纪 80年代后期,国外开发成功固体碱催化剂,但只能缓解污染,仍未从根本上解决环境污染问题。

1996年年底的一天,闵恩泽下班回家路上跟人讨论过去开发喷气燃料加氢脱硫工艺,灵感突现:喷气燃料中的硫醇最易于加氢脱除,可否利用这一原理另辟捷径,在比常规加氢脱硫工艺更缓和的条件下加氢脱硫醇?思路开了,闵恩泽立即组织有关研究室投入试验,由于方法对头,得来全不费工夫,流程一下子打通,短时间内开发成功RHSS新工艺,与碱催化氧化工艺相比,不仅不排放废渣,而且显著降低操作费用,能从多种原料油生产合格的喷气燃料。目前我国已建成715—100万吨/年规模的工业装置,总加工能力420万吨/年。RHSS技术占国内新建或改建装置80%的份额。

第二个是对巴陵石化苯法引进装置中,开发了绿色的环已酮氨氧化制环已酮肟新工艺。以环已酮、氨和双氧水为原料,使用新型钛硅分子筛催化剂,在连续式搅拌釜中一步“原子经济”反应代替引进装置的“四步法”反应合成环已酮肟,环已酮转化率和选择性好。与引进装置相比,省掉了氨氧化、NOx吸收、PtPd/C催化剂加氢等工序;不需要循环压缩机、空压机等大型辅助设备,设备投资和能耗大降低;反应条件温和、运行成本低、产品质量好、环境友好。如今7万吨/年工业装置已建成投产,投资为引进的21.1%,每吨已内酰胺可变成本降低644元。

第三个是在石家庄化纤有限公司甲苯法已内酰胺引进装置中,以磁稳定床已内酰胺加氢精制新技术代替高锰酸钾氧化精制工艺,从源头上根治了引进装置中高锰酸钾氧化生成的二氧化锰废渣、废水。原来地面上常是成片的泛着泡沫污水、污物,现在都不见踪影,还降低了已内酰胺产品的损失。

讲到这里,闵恩泽面带笑容地告诉我,他觉得十分欣慰的,就是这些绿色化学成果很受企业欢迎,不但给工厂带来了更大的效益,而且使得车间环境更好,操作更安全方便。

 

绿色化学的一个重要内容就是利用取之不尽、用之不竭的可再生植物资源来生产燃料和化工产品。

2000年,在闵恩泽编著的高新技术科普丛书《绿色化学与化工》一书中,提到了“菜籽油也能用来开汽车”,简单介绍了欧洲利用菜籽油生产生物柴油及其推广使用的情况;后来又在2001年《世界石油工业》的“21世纪的炼油工业多样化的炼油厂一文中,把从植物油生产生物柴油的炼油厂列为一类炼油厂。闵恩泽向我介绍了他进入这一领域的过程。2002年,闵恩泽参加了中国工程院主办的我国生物柴油产业发展座谈会生物柴油植物原料发展讨论会200310月,受国家经贸委技术进步与装备司委托,他主持鉴定了海南正和生物能源有限公司的生物柴油生产工艺和产品和鉴定会,还亲自去河北邯郸考察了生物柴油厂和黄连木培育基地。这些活动使他进一步认识了发展生物柴油产业的重要意义,决定进入这一科研新领域。

生物柴油是通过可再生的天然油脂资源生产的一种柴油组分。天然油脂多由直链脂肪酸甘油酯组成,与甲醇进行酯交换反应后,生成分子量与石油柴油相接近的脂肪酸甲酯,具有接近于石油柴油的性能。欧盟研究与应用结果表明,生物柴油起动性能与石油柴油无区别,而且润滑性能好、闪点高、十六烷值高、硫和芳烃含量低,因而燃烧性能好,使用安全,尾气排放可满足欧或欧的标准,是一种优质的清洁柴油。

发展生物柴油,关键看有什么原料。欧盟以双低菜籽油为原料,美国采用大豆油为原料,而且这些原料油均经过精制,他们从国情出发,开发了碱催化的酯交换法。

我国虽然是一个油脂生产大国,但我国人口众多,油脂食用消费数量巨大,每年需要进口千万吨以上的大豆来榨油,同时也大量进口植物油。因此,我国生物柴油采用可食用的植物油是不现实的。但是我国也不缺乏生物柴油的原料,如废弃油脂(餐饮废油、酸化油、废动物油)及一些正开发利用的麻疯树、黄连木等木本植物油。由于原料来源途径多,品质差别大,所以必须开发适合劣质和多种来源原料的技术。

在闵恩泽的主持下,从导向性基础研究入手,我国开始开发超临界酯交换工艺。除成立专题研究组,闵恩泽还先后指导博士生开展了“超临界醇解生产生物柴油动力学和工艺过程研究”、“近临界状态下甘油三酸酯醇解反应应用研究”。最后通过小型实验和中型实验,终于开发成功了这一新工艺。这个工艺的突出特点,就是可适用于劣质高酸值油脂原料。在超临界状态下,无需催化剂,即可使油脂与甲醇发生醇解反应,而且反应时间短,几分钟就可以达到平衡;同时不产生皂类,产物分离容易,产品精制简化。

通过开发成功这一新工艺,闵恩泽得出几点深刻体会:

首先,研发生产要从实际国情出发。开发生物柴油的关键是价廉、稳定原料的供应。我国油料作物首先要保障全国食用油的供应,用于生物柴油的油料作物还不能与食用油的生产争地。因此,我国不能走欧美各国以精制油为原料的液碱催化剂酯交换生产路线,只能选择餐饮废油、榨油厂下脚料、猪皮油等价廉、劣质油为原料,同时还要实现原料油供应多元化,以保障全年生产。开发超临界酯交换工艺,正是从国情出发的选择。

其次,确立了自己的生产路线后,在研发生产过程中要通过技术创新扬长避短。比如选择超临界酯交换工艺后,他们除认识其优越性外,同时也认识到其不足,即压力高、温度高。于是他们从基础研究入手,从相图认识到具有降压、降温的潜力,从而开展研究,探寻降压降温的途径,终于发明了诱导技术,达到了目的;在中型试验装置上长周期运转中,发现换热器管线等结垢,压降增大,又以换热器、管线的流速等工程设计加以解决,同时对于反应器的内部结构也采取了措施,使这一工艺又增加了一个创新点,整个工艺达到世界领先水平。

 

从长远看,石油、天然气、煤等化石资源终将枯竭,碳氢化合物时代将走上以可再生资源为原料的碳水化合物时代。微藻是光合效率最高的原始植物,与农作物相比,单位面积的产率高出数十倍。微藻也是自然界中生长最为迅速的一种植物,通常在24小时内,微藻所含生物质可以翻倍。微藻优势还在于不与农作物争地、争水,它可以生长在高盐、高碱环境的水体中,可充分利用滩涂、盐碱地、沙漠进行大规模培养,也可利用海水、盐碱水、工业废水等非农用水进行培养。微藻的培养需要利用工业废气中的二氧化碳,因此它的生长过程还能减少环境的污染,缓解温室气体的排放另外微藻的综合利用价值高,生产微藻生物柴油的同时,还可以生产相当数量的藻饼,进一步获得蛋白质、多糖、脂肪酸等高价值产品,有效降低微藻生物柴油的成本。

闵恩泽在获得国家最高科学技术奖之后,一直在想,如何在战略性、前瞻性的新能源领域中选择课题来研究。他想微藻生物柴油正是这种课题。

20082月间,机会来了!根据“中国石化集团公司与中国科学院全面战略合作协议”,中国石化和中科院正在商讨在新能源领域开展什么课题研究。中国石化总工程师曹湘洪院士、中科院副院长李静海院士与闵恩泽一起讨论,决定开展“微藻生物柴油成套技术的开发”,并请他负责筹备。20085月,“微藻生物柴油技术研讨会” 在北京召开,专家们对微藻生物柴油技术的国内外进展、能源微藻藻种库建设、光生物反应器等专题进行了交流和讨论。在这次会议的基础上,闵恩泽又组织双方进行了一次实地考察。

考察组连续考察了中科院的武汉水生所、武汉植物园、南海所、过程所以及云南丽江施普瑞微藻生产基地,也考察了中国石化石科院工程研究中心、石家庄的生物柴油中试基地等。最后编写了开题报告,安排了微藻、光反应器、生物柴油生产等几个重要的课题。该项目为首席科学家负责制。这个项目计划在2009年到2011年进行小试研究,2015年进行户外中试装置研究,2020年建设工业示范装置。

闵恩泽认为,要让普通交通工具都上微藻生物柴油,还必须跨越三道槛:首先是成本。微藻燃油项目的产业链很长,藻类的培养成本很高,制成品的价格是目前石油的好多倍;其次,微藻生物柴油项目要投产,规模要很大才能做,而现在各个研究机构的生产规模都很小;再次,难以找到合适的生产场地。在藻类培养中,藻类的密度只能是1%-2%,太密,藻类就无法吸收阳光。微藻生长对阳光和水的高要求,需要大型的场地。

闵恩泽在八十高龄时再一次向生物柴油发起了进攻。虽然这项科研项目“任重道远”,但他对此充满希望;虽然今天的他荣誉满身,但他从未停止在科研领域的耕耘与播种。探寻他半个多世纪的创新之路,不得不让人惊叹:他就像一株枝繁叶茂、活力充沛的老梅,创新之花常开常艳。

是的,改革开放三十年来,我们国家在科研方面可以说是日新月异,一则国家重视科学研究,鼓励创新,二则我们的科学家清醒地认识到,世界先进国家已经走到我们的前面,他们的绿色化学、生物柴油概念在实施中取得了伟大胜利,已经开始造福于人类。我们的科学家们看到了绿色化学和生物柴油的美好前景,他们正在奋起直追,因为他们当中有像闵恩泽这样从不畏惧艰险的科学家,在绿色化学的海洋里,在生物柴油的茫茫大漠之中,正以创新精神为原动力,国家利益和民生为己任,为造福子孙后代而不懈地钻研与探索着。科学,何愁不兴?国家,何愁不昌?人民,何愁不富?!