首页 >科教 >科技英才 > 正文

徐春明:情系重油三十载 躬耕教坛谱春秋

中华英才 作者:张强 姜丹 2020-06-08 19:02

核心提示: 本刊专访中国科学院院士、全国优秀教师、中国石油大学(北京)教授、学术委员会副主任徐春明

当古老的东方民族跨越百年沧桑,科学技术越来越成为现代生产力中最活跃的因素。如果说,前30年的石油工业,是一部浴血创业团,之后的30多年,石油行业逐步变身为一艘现代企业的航母。而重质油是未来世界石油能源的主要来源之一, 也是非常重要的化工资源, 高效利用重质油是国家石油资源发展战略的重要方向。于是,重质油转化与清洁油品生产不仅关乎石油工业还与环境保护有着密切的联系。

徐春明2

如果时间有注脚,对徐春明教授而言,2019年是惊喜的一年,因为在这一年厚积薄发的他当选了中国科学院院士。可2019年对他来说又是平凡的一年,同往常一样,依旧是实验室和教学楼之间的两点一线。

回眸2019,置身新一轮科技革命浪潮,面对日趋激烈的科技竞争态势,我国的科学事业“江山代有才人出”。一代人有一代人的奋斗,一个时代有一个时代的担当。目前我国已成为具有重要国际影响力的科技创新大国,并正向着世界科技强国宏伟目标阔步向前。作为30年来一直致力于重油高效转化和清洁油品生产研究的徐春明教授,深知身上的重担。

科技创新——驱动时代之选

二十年,可以发生多少变化?

幼苗长成参天大树,不再畏惧风雨;少年褪去稚嫩成熟稳重,可以独当一面,二十年,是广袤宇宙的一瞬,是浩瀚历史的一瞥,却是人类生命中的四分之一。二十年为了一个课题,徐春明教授甘愿守着实验室坐着“冷板凳”。他放下了对名利的追逐甚至是关注,用超脱的心态、开阔的胸襟以及沉稳的定力,去打破被垄断的重质油转化工艺以及清洁油品生产的技术。对其而言,不仅要“坐得住”冷板凳,还“坐得热”,这是科学家的精神,更是坚守与坚持创新的态度。

2000年,“离子液体”作为一种绿色材料进入正在苦苦寻求替代氢氟酸和浓硫酸的新型催化剂的徐春明教授团队的视野,他们敏锐地捕捉到以清洁油品生产和离子液体催化两大研究领域的交叉点——复合离子液体碳四烷基化这一切入点,在国家自然科学基金委等项目的持续支持下,开始了近20年的基础研究、中试试验和工业放大的漫漫征程!

“碳四烷基化是生产超清洁汽油的关键过程。传统碳四烷基化工艺以浓硫酸或氢氟酸为催化剂,存在严重的设备腐蚀和安全、环保隐患,其工业应用受到了越来越大的挑战。因此,环境友好的碳四烷基化工艺技术的开发一直是世界炼油工业的焦点。”谈起科研,徐春明教授便喜上眉梢。

目前,我国执行的“国六”机动车排放标准可谓是世界上最先进的排放标准,被称为我国史上最严的质量标准。“而碳四烷基化汽油具有高辛烷值、无硫、无烯、无芳等优点,是理想的汽油调和组分。”所以也就不奇怪,在这个标准下会要求大量烷基化汽油调和组分的加入。

与发达国家油品升级时间间隔较长不同,2005年后我国的油品升级速度明显加快,短短14年就完成了从2-6共五代的油品升级。这对清洁油品的技术研发既是挑战,也是机遇。

徐春明教授带领离子液体研究团队在酸性离子液体催化碳四烷基化反应机理的研究基础上,发明了一种替代液体浓硫酸或氢氟酸的新型复合离子液体催化剂,这是一种绿色、安全、环保的碳四烷基化新技术。

“首先它是一种液体,其次它是一种盐。”是液体,就跟氢氟酸、浓硫酸形态相似,并且可根据阴阳离子来调控酸性强弱;是盐,就没有蒸气压、不挥发,且在封闭系统(没有水)内不具腐蚀性,非常安全。“传统工艺利用浓硫酸和氢氟酸的酸性来做烷基化催化剂,如果离子液体能够达到它们的酸性强度,又没有腐蚀性,替代它们就是理所当然的事情。”

彼时,国际上也才刚刚兴起离子液体,徐春明教授敏锐地抓住这个机会。“虽然有些大胆,但也不啻为一个好的方向。”就在他很自信地认为这是一只“潜力股”时,现实的冷水却一次次把“丰满”的理想浇个“透心凉”。

他们首先遇到的问题就是虽然转化率高,但异辛烷选择性却差得多,作为烷基化油的主要指标——辛烷值远不能满足要求。“说白了就是没有生成足够量的异辛烷。”

选择性提不上来等于没用。一次次失败后,徐春明教授团队经理论分析,想到能否在单一阴离子中“复合”进另一个阴离子用于控制副反应呢?事实证明,他们创新性开发出的具有双金属复合阴离子的离子液体催化剂,真的可以借助双金属或多金属配位中心的协同作用,抑制聚合和裂化副反应,实现对碳四烷基化反应的精确调控,选择性、转化率都优于浓硫酸和氢氟酸。

但这一喜人的成绩却没维持上一个月,因为他们又遇到新问题:中试运行到22天时产品质量急转直下。因为工业装置必定要长时间运行,时间久了,复合离子液体的活性必然会越来越差。“还需要找到令催化剂失活的原因并研发出连续再生的方法。”说起来就是简单的一句话,但却让徐春明教授团队足足又花了4年时间,直到2009年才开发出复合离子液体催化活性在线监测方法和催化活性再生工艺。之后,在为期数月的中试连续试验中,也充分证实了复合离子液体催化碳四烷基化工艺技术的可行性。

再次面对工业试验,徐春明教授和团队底气十足。

察势者明,趋势者智。徐春明教授就是用“大胆地假设,小心地求证”在重油高效转化和清洁油品生产这条科研路上严谨又富创造性地回答着“时代的课题”。

工业推广——技术落地,利国利民

科技兴则民族兴,科技强则国家强。从过去引进吸收再创新,到如今推动原始创新,在徐春明教授的身上我们也看到了中国科研创新这条“轨迹”变化的缩影。

在常人眼里,55岁的徐春明教授一直是“很厉害”的存在,无论在学习还是工作上。16岁上大学,26岁博士毕业留校进入重质油加工国家重点实验室工作,两年后赴加拿大Syncrude研究中心访学研修,33岁成为当时最年轻的国家重点实验室主任,54岁当选中国科学院院士。这一切看起来平坦又顺遂,但其实这其中的艰难与辛酸只是不愿为外人道而已。

就像人们往往只看到光鲜的外表以及令人惊叹的成果,殊不知这都是科学家夜以继日用智慧与心血“熬”出来的。“这世上哪有什么捷径与轻松的工作可言,不过都是脚踏实地坚持而已。”

好在,徐春明教授坚持原始创新迎来了“曙光”。该技术实现了三大创新突破。创新性地设计合成了兼具高活性和高选择性的双金属复合离子液体;发明了分步协控补充B酸和L酸活性组分的再生技术;开发了新型静态混合反应器、新型旋液分离器等专用设备。

在项目研究取得突破后,研究团队与山东德阳化工有限公司合作,于2013年初建成了世界首套10万吨/年复合离子液体碳四烷基化工业装置,并实现了工业化运行。

评论称,复合离子液体烷基化技术为我国乃至世界商品汽油的清洁化和全面质量升级提供了一种崭新的解决方案。伴随社会和广大民众环保意识的不断增强,我国及世界汽油质量的不断升级,以及安全生产和过程环保等要求的日益严格,这一技术将变得更具有吸引力。

或许,正如清华大学校长邱勇所说,21世纪有两大主题:一个是全球化,另一个是创新。只有成功实现了商业化的发明,才可以被称之为创新。

而徐春明教授所创新的这项技术最终实现了工业推广。2014年1月,中国石油和化学工业联合会组织专家对这套工业化装置进行了72小时连续运行考核。现场考察专家组这样评价:该10万吨/年复合离子液体碳四烷基化工业装置运行稳定,工艺先进合理、成熟可靠、清洁安全。装置运行期间未见安全隐患和环境危害隐患,与浓硫酸和氢氟酸烷基化相比更加安全环保。“该技术具有自主知识产权,总体技术处于国际领先水平,具有广阔的应用前景和推广价值”。复合离子液体几乎无腐蚀,可大幅提高生产安全性并降低设备投资。

经过3年运行,2016年5月,中国石化联合会再次对该工业装置的长周期运转情况及技术成熟度进行了工业现场考核。经鉴定,该装置在3年的运行过程中,复合离子液体催化剂的活性指数控制在1.10以上,产品的研究法辛烷值保持在95以上。累计3年的运行数据显示,该装置与浓硫酸和氢氟酸烷基化相比更加安全环保,符合绿色发展的要求,经济和社会效益显著。已在中国石化九江石化、武汉石化,中国石油哈尔滨石化等多套大规模工业装置应用!

徐春明教授因此也在2017年获得国家技术发明奖二等奖,此外,此项技术还获得30余项国际发明专利、10余项中国发明专利。

“清洁油品是从重质油通过多道工序提炼而来的。”徐春明教授首先普及了重质油的概念。“重质油是一个统称, 包括常规原油经过蒸馏后剩下的渣油和天然重质原油两大部分。我国石油资源和产量相对不足,而且多数原油偏重(多数原油中沸点高于500℃的渣油含量达40%—50% )。此外,我国每年从委内瑞拉、中东等国家进口的原油中大部分也偏重。”因此,随着我国对轻质油品需求的大量增长,开展重油高效清洁加工生产清洁油品的技术攻关显得尤为重要。

上述成果仅仅是徐春明教授科研生涯中的一项创新。他和团队还揭示了重油复杂多层次化学组成结构,发明了基于超临界萃取分离的重油化学组成结构研究新方法,指导开发了重油梯级分离新工艺。这些有关重油分子的新认识和发现为重油高效转化新工艺开发奠定了基础,得到了国际同行的肯定。发明的“重油梯级分离”新工艺用于重油催化油浆的超临界梯级分离,开发了以富芳烃原料制备性能优异的针状焦的全套工艺技术,于2017年建成了国内首套6万吨/年生产能力的工业装置并实现稳定运行,成功解决了我国针状焦原料短缺及产品长期依赖进口的“卡脖子”问题,为锂离子电池行业的快速发展及时提供了优质负极材料。此外,他还建立了重质油催化裂化反应器的流动反应耦合模型,指导开发了2项具有重要影响的“贯通性”工程技术……

从毕业留校至今,30年来,无论实验室的科研有多紧张、复杂和困难,徐春明教授也从未放弃一线的教学工作。他说:“作为中国石油大学土生土长的一名教师,将继续坚守在本科教学一线,精心培养学生健康成长;积极推进学术研究往基础领域深入,促进科技成果快速转化,真正做到‘顶天立地’,为我国行业科技进步作出应有贡献。”

正如习近平总书记所讲的:“广大科技工作者要把论文写在祖国的大地上,把科技成果应用在实现现代化的伟大事业中。”这让徐春明教授铭记于心,而他也用相同的话鞭策着学生们。

或许,对像徐春明教授这样的科学家而言,创新,就在复兴的征程上。

【 人物简介 】

徐春明,1965年2月出生,山东寿光人,工学博士,中国石油大学(北京)学术委员会副主任,教授,博士生导师,国家杰出青年基金获得者,“全国优秀教师”称号获得者,国家“万人计划”百千万工程领军人才。国务院学位委员会第六届、第七届学科评议组成员,教育部第六届、第七届科学技术委员会化学化工学部委员。

徐春明院士近30年来一直致力于重油高效转化和清洁油品生产的研究,带领团队建立了重油“超临界精细分离+高分辨质谱表征”新方法,取得了复杂多层次化学组成结构新认识,引领了国际重油化学基础研究,开发了“重油梯级分离”新工艺,建成了世界上首套20万吨/年重油梯级分离工业装置;建立了重油催化裂化反应器的流动反应耦合模型,对工业反应器及相关设备计算得到了大量以往未知的流场、温度场和浓度场等工程信息,指导开发了2项具有重要影响的“贯通性”工程技术,替代了国外产品;发明了“双阴离子”型复合离子液体碳四烷基化变革性技术,建成了世界首套大规模离子液体烷基化工业装置,解决了清洁油品生产的重大需求,实现了产品和工艺的双绿色化,打破了国外公司清洁汽油生产的技术垄断。先后获得国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖2项、省部级特等奖及一等奖共计8项。出版本科教材1本、专著5部;授权国际发明专利36件、中国发明专利102件。

(2020.06.01 第11期)