中國工程院院士劉中民：智能化工技術助力實現“雙碳”目標

　　不久前，中國科學院大連化學物理研究所(以下簡稱“大連化物所”)與科大訊飛股份有限公司等聯合研發的智能化工大模型2.0Pro亮相。這是我國化工行業首個大模型，它的問世，為化工行業實現“實驗室一步跨入工廠”目標提供了技術支撐。

　　該模型研發由中國工程院院士、大連化物所所長劉中民團隊牽頭。劉中民長期從事煤化工、石油化工領域應用催化研究與技術開發，在甲醇制烯烴(DMTO)的基礎研究和工業應用方面作出重大貢獻。近日，劉中民向科技日報記者解讀了我國煤制烯烴產業的發展思路。

　　人物檔案

　　劉中民，中國工程院院士、中國科學院大連化學物理研究所所長。長期從事應用催化研究。獲國家技術發明獎一等獎1項、國家科技進步獎一等獎1項、遼寧省科技最高獎1項、省部級以上科技獎勵10余項，以及周光召應用科學獎、何梁何利基金科學與技術產業創新獎等多項個人獎勵。

　　DMTO技術引領煤制烯烴產業發展

　　記者：您主導研發的DMTO技術已實現工業化應用。這一技術對降低石化行業碳排放、提升資源利用效率有何突破性意義?

　　劉中民：大連化物所從上世紀80年代起便致力于DMTO技術的研究。2010年，世界首套年產180萬噸DMTO裝置在神華包頭煤化工有限公司一次開車成功，開拓了非石油路線生產基礎化工原料的新路徑。目前，DMTO技術已經發展到第三代，單套裝置的甲醇處理能力達到360萬噸/年。截至目前，DMTO系列技術已經簽訂了36套裝置的技術實施許可合同，產能超過2400萬噸烯烴/年，其中20套裝置已投產。DMTO技術引領并支撐了我國煤制烯烴產業的快速發展，對于緩解石油供應緊缺問題、保障能源安全和石化產業鏈安全穩定具有重要意義。與煤炭燃燒等傳統利用方式相比，DMTO技術的萬元產值二氧化碳排放可降低約一半，是實現煤炭清潔高效利用的重要探索方向。

　　此外，DMTO技術也可用于生物質及可再生能源生產的綠色甲醇轉化。

　　記者：近期國際油價波動加劇，國內石化行業正加速向“化工新材料”轉型。您如何看待“減油增化”趨勢下，DMTO等技術的市場前景?

　　劉中民：在“雙碳”目標驅動下，我國能源結構加速綠色轉型。可再生能源裝機規模不斷突破，2024年可再生能源發電量已占全部發電量的35%，電動汽車保有量呈持續增長態勢，成品油市場將在2028—2030年達峰后進入加速萎縮階段。據預測，2050年國內成品油需求量將降至1億噸，不足目前的30%。

　　傳統煉化行業雖然加速推進“減油增化”，但油化比的結構性降低存在理論極限，在成品油需求大幅下降的前提下，煉化產業的化學品供應能力同樣受到限制。但另一方面，人民對美好生活的追求、經濟社會的持續發展對高端化工產品、新材料的需求又將不斷增長。

　　目前，我國乙烯的當量自給率尚不足60%。而DMTO以煤為原料，來源相對穩定可靠，成本可控，其技術也在不斷升級，能耗、原料單耗等不斷下降，經濟性和綠色化水平不斷提高。

　　此外，甲醇—石腦油耦合制烯烴技術也將對我國化學品供給和石化產業轉型起到重要支撐作用。未來，隨著綠電成本不斷下降，綠色甲醇有望成為新型原料，制造過程的綠色化水平也會進一步提高，將有力支撐我國烯烴下游化學品和新材料消費需求。

　　記者：您提出的“甲醇經濟”戰略如何與傳統石化產業升級形成協同效應?

　　劉中民：甲醇是跨越油氣時代的重要能源載體，其生產可以與清潔能源聯動，同時還是氫的有效載體。甲醇具有儲能(氫)密度高、便于儲運的優勢，可直接作為燃料使用，在應急狀態替代油品保障能源安全。同時，甲醇是連接清潔能源與煤化工和石油化工的橋梁，以甲醇為平臺或以甲醇與石腦油耦合，可以向下游延伸，生產上百種化學品。在引領低碳煤化工發展和促進石化產業升級方面，甲醇展現出顯著的技術經濟優勢和潛力。結合我國甲醇產能1億噸/年的工業基礎、應用效果和潛力，我認為甲醇有望與我國煤化工、石油化工高度協調聯動，對保障能源安全和產業鏈穩定，促進可再生能源的利用與工業低碳化發展起到更加積極的作用。

　　我國能源結構轉型面臨一系列挑戰

　　記者：在“雙碳”目標背景下，我國能源結構轉型面臨哪些核心挑戰?

　　劉中民：我國已經建立了規模龐大的能源、工業體系，為我國經濟社會發展提供了澎湃動力和豐富物資。但與此同時，我們也面臨著環境污染、碳排放約束和傳統產業升級難等問題。在“雙碳”目標下，能源、工業轉型升級是全球新一輪科技革命、能源革命和產業變革發生的重要領域。當前，我國能源、工業體系的綠色低碳高質量發展主要在以下幾個方面面臨挑戰。

　　一是能源、工業體系的高度復雜性使得科學決策面臨困難。能源與工業系統是高度耦合、高度復雜的巨系統，受到技術經濟性、系統穩定性、區域差異性等多因素影響，且與國際能源格局變化密切相關。

　　二是支撐能源轉型、工業升級的技術路徑還難以確定。能源低碳化是大方向，但路徑有很多條，其中，可再生能源、裂變能、聚變能等均處于快速發展期。要達到低碳乃至零碳要求，必須推進工業流程再造。

　　三是如何將人工智能方法與相關領域的科學研究、產業發展深度耦合仍處于探索階段。以大模型為代表的人工智能正在改變傳統研發范式和生產方式，并為解決復雜系統問題提供了數據驅動新途徑，但尚未充分發揮其應用價值。

　　總體來說，我國能源、工業轉型升級對新技術的需求十分迫切，但科技創新供給尚難滿足需求。

　　記者：從科技自主創新角度，您認為應如何通過催化技術突破實現“油化切換”，保障能源安全?

　　劉中民：油氣對外依存度高一直是我國最大的安全隱患之一。當前，全球仍處于油氣時代，能源與工業體系正在由單一能源、單一行業向跨系統、多元化融合轉變。在“雙碳”目標引領下，我國能源生產與消費結構調整是大勢所趨，也為解決我國能源安全問題提供了契機。

　　油化本來是聯動的，我國在煉化一體化方面作出了長期努力。隨著電動汽車時代的到來，石油用量減少，石油供應安全問題將有所緩解，同時，也將造成油化分裂的局面。石油用量減少，但我國14億人生活水平提升所對應的是石化產品剛性增長，這之間就存在矛盾。

　　新形勢下，我們希望油化能夠切換，以保障能源安全。石油煉制、石油化工、煤化工等加工過程均是各種分子的化學轉化過程。因此，我們面臨的問題就是如何利用已有的資源設計新的反應途徑，使其兼具油品和化學品生產的能力。催化是魔術師，可以發揮關鍵作用。例如，石油化工行業的“油轉化”、煤—油融合、電解水制氫、甲醇的合成等，都離不開催化技術發展。

　　記者：“十四五”規劃強調“前瞻性布局未來產業”。在氫能，二氧化碳捕集、利用與封存(CCUS)等領域，您認為我國應如何搶占技術制高點?傳統煤化工與可再生能源如何實現深度融合?

　　劉中民：氫能和CCUS是我國構建新型能源體系、實現“雙碳”目標的重要戰略支點。要在上述領域搶占技術制高點，應當堅持系統性布局和原創性突破并重，強化關鍵核心技術攻關，打通產業鏈條，拓展應用場景，推動多能融合協同發展。

　　在氫能領域，應著力打通“制儲輸用”全鏈條技術，加快電解水制氫催化劑、高效儲運材料、燃料電池核心部件研發等環節的原始創新和自主可控，積極推動氫能在工業、交通等領域的規模化應用研究。與此同時，可以前瞻布局太陽光催化制氫、金屬氫化物儲氫、氫負離子電池等前沿技術方向，搶占下一代技術發展先機。在CCUS領域，需要聚焦煤化工等高濃度排放源，優先部署低能耗、低成本的捕集技術，加快突破溫和條件下CO2加氫制甲醇、烯烴等資源化利用關鍵技術，并推動CCUS與氫能、可再生能源的融合發展，構建“電—氫—碳”協同的能源轉化路徑。

　　傳統煤化工因原料煤富碳缺氫的特點，需要通過煤氣化和水煤氣變換實現進一步利用，但是該過程產生了高碳排放。將可再生能源與煤化工融合后，引入綠氫可取代傳統的水煤氣變換工藝，實現源頭減碳，并提高碳原子利用效率。超量綠氫還可以實現CO2的資源化利用，實現煤化工生產過程的低碳化、零碳化。

　　綠氫的成本和經濟性是社會各界普遍關注的問題，也是學界重點突破的方向。另外，綠氫的利用也需要合適的工業場景，以最大限度發揮綜合效應。

　　基礎研究與產業化可形成良性循環

　　記者：科技倫理治理日益成為社會各界關注的焦點。新型催化技術、生物燃料等前沿領域的研究，可能涉及哪些倫理風險?科研團隊應如何建立“技術應用—倫理評估”的雙軌機制?

　　劉中民：相關研究可能涉及以下三類倫理風險。

　　一是環境與生態風險。新型納米催化劑、酶催化劑等可能具有未知的生物毒性或環境持久性，其生產、使用、廢棄過程存在土壤、水體污染等隱患。面臨水資源壓力，大量耗水可能會加劇水資源短缺地區的矛盾。碳足跡悖論可能出現，為種植能源作物而破壞的森林、濕地等碳匯，可能抵消甚至超過生物燃料帶來的碳減排效益。

　　二是社會倫理風險。生物燃料生產可能與糧食安全產生沖突，導致貧困地區口糧減少或糧價上漲，加劇全球貧富差距。催化技術需要鉑、銠等稀有金屬，為了取得這些稀有金屬，可能加劇資源爭奪，這涉及地緣政治問題。

　　三是安全風險。研究有可能帶來一系列安全問題，如新型催化過程(高溫高壓、使用劇毒或易燃物質等)可能使發生爆炸、泄漏等工業事故的風險更高。新型催化劑或生物燃料副產品(揮發性有機物、納米顆粒等)可能通過空氣、水或食物鏈進入人體，影響長期健康。

　　科研團隊可遵循三條路徑建立“技術應用—倫理評估”雙軌機制。一是建立跨學科倫理治理體系，持續吸納多學科專家以保證體系的完善。二是從機制設計角度出發，將倫理考量深度嵌入科研項目全生命周期，與技術研發同步設計、同步部署、同步推進，而非事后補救。三是對包括學生在內的所有團隊成員進行常態化科技倫理培訓，使其提升倫理敏感性和責任意識，掌握基本的倫理分析工具，并將多學科知識進行融合，鼓勵團隊成員學習環境科學、社會學、法學等相關領域知識，培養系統性思維。

　　記者：近年來，科研領域“非升即走”“考核焦慮”等現象引發討論。您認為應如何通過評價體系改革，讓科研人員更專注于“從0到1”的原始創新?

　　劉中民：我認為需要理性平衡考核的必要性與體系的科學性。在科研人員考核方面，要建立分類分層的考核評價導向。

　　要規范科研活動屬性和評價重點。將科研人員活動屬性劃分為基礎研究(含應用基礎研究)、應用研究與技術開發、科研支撐保障等不同類型。針對不同科研活動類型，根據貢獻導向設置不同評價重點。基礎研究(含應用基礎研究)類重點評價學術成果的原創性和顛覆性、提出并解決重大科學問題的能力、成果的科學和應用價值。應用研究與技術開發類重點評價突破關鍵核心技術、解決關鍵技術難題的能力，科技成果產生的經濟效益、社會效益及對產業發展的實際貢獻。科研支撐保障類研究則重點評價技術支撐能力和工藝技能水平。

　　記者：科研選題既要瞄準國際前沿，又要解決產業痛點。以DMTO技術為例，如何平衡基礎研究的深度與產業化的速度?

　　劉中民：基礎研究與產業化可以形成雙向支撐的良性循環。以DMTO技術為例，從20世紀80年代起，大連化物所開始探索研究煤制烯烴技術。基于分子篩等領域的理論基礎，經過幾代科研人員近30年的接續攻關，年產180萬噸DMTO裝置于2010年8月實現投料試車一次成功。這不僅意味著我們開發出了具有自主知識產權的DMTO成套工業化技術，還開辟了非石油資源生產烯烴的新路線，實現世界上煤制烯烴工業化“零”的突破。該技術于2014年獲得國家技術發明獎一等獎。

　　在成果應用突破后，為促進煤代油技術創新，2015年，大連化物所利用DMTO技術產業收益，以及與原催化基礎國家重點實驗室資金聯合設立的1億元甲醇轉化與煤代油新技術專項基金，反哺基礎研究。應用研究與基礎研究并不相悖，科學問題明確更能夠促進基礎研究的深入，促進技術的發展。

　　記者：人工智能技術為化工領域研究帶來了哪些機遇?

　　劉中民：人工智能的快速發展為傳統研究領域帶來了新的機遇與挑戰。化工作為國民經濟的支柱，是實現能源結構調整、“雙碳”目標以及推進新型工業化的重要基礎。化工生產過程涉及從微觀分子反應到宏觀工業反應器等多個層次的動態平衡，構成了時空多尺度復雜系統。由于缺乏精確的理論描述，化工技術開發長期以來受到逐級放大的制約，開發周期在10年以上，突破逐級放大約束是百年來化工界面臨的難題。

　　因此，發展智能化工，實現新技術開發從“實驗室一步到工廠”，是當前及未來化工領域內必爭的“科技制高點”。目前我們正在推動相關研究，包括攻關智能化工核心技術，構建突破逐級放大的化學工程新方法體系，實現“實驗室小試—虛擬工廠—實際工廠”的化工新技術研發范式;建設跨尺度、全流程的智能化工數字底座，實現多源異構數據協同與標準建設等工作。

　　致青年科技人才

　　青年人開展研究，要有跨學科思維。科學研究需要開闊的視野，通過與不同學科的研究者一起討論，科研人員在無形中能夠擴大知識面;從不同的角度分析問題，也能夠讓人視野更開闊。視野開闊才能想“大事”，才有可能通過有效的方法成“大事”。

　　——劉中民

　　來源：科技日報

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