煤制油技术：把能源命脉攥在手里

2021年11月3日，2020年度国家科学技术奖励大会在人民大会堂召开。“400万吨/年煤间接液化成套技术创新开发及产业化”项目被授予国家科学技术进步奖一等奖，这项饱含数代科学家心血的项目终于折下桂冠，获得国家最高科学技术奖励。

2020年，我国原油消费量同比增长5.6%，原油对外依存度高达73.5%，同时，新增探明油气地质储量降至近10年来最低点，我国油气资源对外依存度不断上升，保障能源安全成为当务之急。全球单体规模最大的400万吨/年煤间接液化项目如何诞生？它经过了哪些挫折？自主核心技术高温浆态床费托合成工艺与催化剂是如何攻克的？项目第二完成人中国科学院山西煤炭化学研究所研究员、中科合成油技术有限公司总经理、首席科学家李永旺组织领导并经历见证了二十多年煤制油技术创新开发的全过程。

坎坷历程，追逐“人造石油”梦

油品安全事关国家经济社会发展，我国缺油少气的现实无法改变，推进大型煤间接液化成套技术开发与工业化应用，具有重大的战略和现实意义。

2016年12月5日22时16分，神华宁煤400万吨/年煤制油工程Ⅰ系列油品合成装置费托合成反应器开始投料23时50分各项指标分析合格，煤制油全流程打通。在距离德国科学家费歇尔和托普森发现费托合成反应的近百年后，我国完全掌握了先进的百万吨级煤炭间接液化工程的工业核心技术，成为全世界少数掌握该技术的国家之一。

神华宁煤年产400万吨煤制油商业示范装置全景。山西煤化所供图

起初，神华宁夏煤业集团公司年产400万吨煤制油项目决定采用中科合成油技术，而非煤化工巨头南非沙索公司技术时，就震惊了国内外煤化工领域专家。中国人掌握自己的命运、建设中国自己的煤制油工业的大幕徐徐开启。

2011年第一期《中国煤化工》杂志发表评论称：“十年来，中国人的素质在提高，对外合作方式在转变，技术水平在升级，而沙索却低估了这些转变的速度……至少在今天，沙索的技术并不是那么神秘和不可替代。”

艰辛的技术引进谈判戛然而止，待价而沽的沙索公司败退，背后是煤制油的技术狂奔突进。其实，这项发达国家无不渴求的关键技术，在我国曾经多次遭受冷遇，险些熄灭火种。

德国在第二次世界大战期间因战争机器的需求，建造了9个费托合成油厂，二战结束后，由于石油工业的兴起，煤制油装置全部关闭。紧接着南非又异军突起，上世纪50年，国际社会上对南非实行石油禁运政策，南非被迫发展煤制油工业，在将近60多年的时间里，南非沙索公司成长为世界最大的综合性煤化工企业。在这一领域，技术真正决定了谁是强者。

新中国成立后，煤制油技术更是曲折坎坷。1950年德国柏林工科大学归来的赵宗燠博士接管了日军引进的德国常压钴基固定床费托合成煤制油厂，当年就恢复扩建装置，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在张大煜所长组织下成立了中国科学院煤炭研究室，即中国科学院山西煤炭化学研究所的前身，同时开展了4500吨/年熔铁催化剂流化床合成油试验。但就在这个关键时刻，大庆油田的发现，让中国放弃了对“人造石油”的追求。

1980年中国改革开放开始不久，伴随而至的世界石油危机，加上我国很难再找到大庆油田这样的新油田。富有远见的能源科学家们将眼光又落在了煤制油上，中科院山西煤炭化学研究所开始在鲍汉琛和张碧江两任所长组织下，攻关煤炭间接液化的固定床两段法合成汽油工艺技术，持续经历了十余年，于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，由于当时油价低弥、经费短缺、技术经济性等原因，试验随后处于暂时停滞状态。1997年冬天，李永旺被召回国。一回国，就被山西煤化所时任所长钟炳急切地召集到办公室，“所有参加煤制油攻关的课题组都处于解散的边缘，你回来负责煤制油技术开发，人员随你调，队伍不能散。”李永旺不由地倒吸了一口气。

李永旺首先把与合成油相关的五个课题组整合在一起，并决定对合成工艺的主攻方向实行重大转变，由原来的固定床费托合成油工艺改变为更为先进的浆态床费托合成油工艺。任务掉头，困难加倍。

李永旺和部分研究团队。山西煤化所供图

1998年实验室成功地研制出了高性能的低温浆态床费托合成铁基催化剂，同时蜡催化剂分离技术获得重大进展，浆态床煤制油工艺的技术经济性瓶颈得到突破。李永旺仔细分析了从煤到成品油全流程工艺，认为如果浆态床费托合成能够在较高温度下进行，就能充分利用费托合成反应热，提高煤制油的整体能量利用效率，由此首次在国际上提出了全新的高温浆态床费托合成油概念和工艺技术。在合成油装置放大规模上，李永旺认为千吨级浆态床煤制油装置是最小具有代表性的规模，而这已是实验室小型装置的2000倍，要往前走，至少需要8000多万元的科研投入。这对中科院的科研人员来说几乎是天方夜谭。

纾解困局，煤制油走出实验室

李永旺的老师、化工工程专家Froment教授在他回国前意味深长地说：“可以预见的是，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至少需要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。”

“那时真是到了山穷水尽的时候，我们的科研经费也花的差不多了，眼看实验室就要赤字运行了。”正在苦恼于工业中试阶段经费的李永旺与时任所长孙予罕在2001年7月给中国科学院原副院长江绵恒汇报了煤制油技术研发工作，之后，江绵恒力主启动浆态床煤制油千吨级工业中试项目，煤制油项目被列为首批启动的中科院知识创新工程重大项目，并得到了3000万元的经费支持，这也促进了国家科技部“863”计划“煤制油”重大项目的启动。

2002年9月千吨级工业中试试验装置建成并试车成功。一石激起千层浪，煤制油中试装置成功出油的消息获得全行业最高关注度，山西潞安集团、中国神华集团、徐州矿业集团等纷纷前来考察，要求投入资金进一步完善煤制油中试技术。2006年2月，由山西煤化所、内蒙古伊泰集团、神华集团、山西潞安矿业集团、徐州矿务集团和连顺能源共同投资，成立了中科合成油技术有限公司，之后在工程化实施过程中又相继成立了中科合成油工程有限公司和中科合成油催化剂有限公司。

一项技术必须经过“实验室—工业中试试验—工业化示范—大规模工业化示范—商业化大规模生产”这样一个过程，李永旺说，煤制油是一项非常复杂的系统工程，涉及几百个专科、上千个节点，每一个点上都有对应的专门人员，而他所在的单位，掌握着成套的核心煤制油工艺和催化剂生产配方技术，一个人走了，不仅会导致技术外流，这个项目也得从头再来，损失无法估量。

高温浆态床合成油反应器工业装置。山西煤化所供图

李永旺将市场经济同国际上的先进的奖励制度结合起来，研究出一套新型的激励制度。从最初的三五个人到后来的1000多人，李永旺的团队就像一块巨大的磁铁，不断将科研行业精英吸到身边。2008年初，科技团队通过借贷方式投资拥有了公司部分股份，解决了科技人员的吸引、稳定和长期激励等问题。

股权社会化就像化学反应中的催化剂，加快了科研成果转化的反应速度，为煤制油示范厂建设运行插上了腾飞的翅膀。

步步为营，百年梦终成现实

回国不到十年，李永旺已经按照与导师的约定将煤制油技术往工业应用方面推进了一大步。

2009年，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。2011年开始建设世界单套最大规模的400万吨/年煤制油商业示范装置，2016年建成并实现了一次性开车成功，2017年又相继建成投产了内蒙古伊泰杭锦旗120万吨/年和山西潞安100万吨/年的两个百万吨煤制油装置……

随着工厂规模越来越大，李永旺团队的关注点也发生了变化，“我们技术基本上成熟了，下一步就是向着大型综合一体化、产品多元化高值化方向发展，装置规模向500万吨级或1000万吨级的综合一体化方向发展，加快技术升级步伐，形成柴油—汽油—航油—润滑油—化学品联产成套新技术，争取2025年煤基合成油替代石油能力达到2000万吨以上”。

煤基合成油产品。山西煤化所供图

除了技术的突飞猛进，煤制油的外部环境却扑朔迷离。一方面煤炭和石油的价格始终影响着煤制油技术、工艺的发展速度，另一方面煤化工项目对二氧化碳减排的要求也越来越紧迫。“煤制油有利润高的时候，也有利润低的时候，油价高时煤制油还有利润，油价低、煤价高时利润空间就小了。”李永旺谈到煤制油的外部环境时表示，“现在全球能源价格体系都比较混乱，不好预测，以前国际原油连续十年都在每桶100美元以上，最近几年一下降到60美元左右，现在又涨到80多美元，但国内煤价又突然涨了二三倍，变化太大。”

为了抑制煤价油价波动对企业造成风险，只有通过技术创新，把技术做精做细，把经济效益提上去，才能克服煤价油价波动引起的技术发展掣肘，创新是技术发展的源头和不竭动力。李永旺表示，我们目前着重点还是要在延伸产品链上下大功夫，下大力气，深加工生产高值的特种燃料、润滑油、溶剂油、高熔点费托蜡，如潞安除生产柴油、石脑油、LPG外，还生产岀高值的太行牌润滑油、系列牌号的高熔点费托蜡等产品，伊泰也生产出了C6-C8的单质正构烷烃溶剂油。在未来新上的煤制油项目上我们将进一步提高项目的能源综合利用效率，将碳减排技术与煤制油技术相耦合，尽最大努力减排二氧化碳，同时满足国家对油气的重大核心需求。

多年来，李永旺和他的研发团队在煤制油技术的研发过程中发表论文600多篇，申请授权的中国发明专利130多件，先后获得过中国科学院杰出科技成就奖、国家能源科技进步一等奖、中国石油和化学工业联合会科技进步特等奖和技术发明一等奖、第二十一届中国专利金奖等奖项。他们已成为国际上最具影响力的煤制油研发团队之一。李永旺高兴地说，“中科合成油完成了当初被国家、中科院和山西省赋予的历史使命”。

煤制油未来前景如何，李永旺认为：至少在短中期内，我国油气短缺的局面较难改变，煤制油满足国家油气的核心需求是第一位的，煤制油至少在二三十年内仍然会发挥重要的作用。放眼长远，李永旺提出了一套发展思路：“我们的技术研发重点将逐步由制油为主转变为制高值化学品和材料为主，并进一步扩大实现低质褐煤、生物质、有机垃圾等含碳资源的能源转化，以实现新的技术革命，在国家“双碳”大目标下保持技术的不断发展和升级，为国家未来能源转型和煤炭高效清洁低碳化利用做出新的贡献。”