逆向思维开辟能源绿色变革新路——记第四届全国创新争先奖获得者、中国石油大学(华东)教授田原宇

　　“做实验的时候得学会‘南路北走’。”30多年前，中国石油大学(华东)炼制系袁存光教授用这句话教导还是本科生的田原宇——逆向思维，往往能开辟新路。如今，已是中国石油大学(华东)化学化工学院教授的田原宇，在荣获第四届全国创新争先奖时，再次回忆起这句话。

　　从石油到煤炭和生物质的跨界深耕，从实验室到工厂现场和田间地头的成果转化，回望来时路，田原宇感慨：“逆向思维一直指导着我的科研之路。”

　　从油到煤，创立分子煤化学新体系

　　1990年，田原宇考入中国石油大学(华东)石油炼制系石油加工专业。本科期间，他就展现出异于常人的科研敏锐度，发明了U型气体发生器、BTV蝶形浮阀塔板等。1994年毕业后，他进入重质油国家重点实验室工作，主攻重质油化学与加工，开发了一系列高效分离塔设备。

　　读研期间，他的科研道路迎来关键转折。硕士导师建议他“从石油方向转向煤化工”。于是，2000年，田原宇考入太原理工大学煤化工专业攻读博士，师从中国工程院院士、太原理工大学原校长谢克昌。彼时，“分子煤化学”的概念在国际上刚刚提出，却鲜有人知道如何落地。田原宇借鉴重质油研究经验，率先开展煤的分子水平研究。“我尝试把石油的组成与煤结合起来，先解决煤的可溶化问题，再把石油族组分理论引入煤中，分子煤化学就这样建立起来了。”他回忆道。基于这一思路，他不到两年便完成了博士论文《煤的化学族组成的初步研究及其在煤等离子体热解制乙炔中的应用》。

　　此后，他带领团队持续攻关，完整建立了基于化学族组成的分子煤化学新研究体系，首次揭示了煤热解的自由基调控机理、碳—水蒸气解离自由基气化反应机理，将煤结构与反应性的研究从宏观水平提升到分子水平，为我国碳基能源的绿色低碳高值化利用奠定了理论基础。

　　变废为宝，开拓生物质高值化新路

　　依据分子煤化学原理，田原宇尝试对富含腐植酸的劣质煤进行梯级综合利用，将劣质煤中的腐植酸提取出来，研发一系列腐植酸多功能可降解液态地膜。这种地膜喷施后保温保墒，使用两三个月后可完全降解为腐植酸有机肥，直接成为土壤改良剂。该技术荣获2010年国家科技进步奖二等奖。

　　21世纪初，生物质热解液化技术普遍存在液体收率低、油中带灰、含水率高等难题。当时田原宇对煤热解已颇有心得，他突发奇想：“能否将煤热解技术用到生物质上?”说干就干，他大量查阅文献、考察现场，最终发现通过工艺设备一体化的研究路径可以破解这一难题。据此，他发明了生物质自混合下行循环流化床快速热解制腐植酸工艺及装备技术，达到世界领先水平。目前，国际上生物质热解万吨级工业化装置不足10套，其中就有5套使用该技术；世界规模最大的首座20万吨/年生物质热解装置已在山东广饶建成投产。另外，他针对不同类型退化土壤的修复需求和机理，又依据分子设计理论，通过交联聚合，创制系列类高值靶向腐植酸环境材料，消除了现有腐植酸在土壤修复中精准性和稳定性差的缺陷，实现了一次施用、长期修复。该技术荣获2020年国家技术发明奖二等奖。

　　2020年以来，他又以生物腐植酸为原料，研发出以土壤修复为主的全降解液态地膜技术——先结皮增温保墒、防止土壤风蚀，再生态修复和改良土壤，从而破解了农作物秸秆直接焚烧污染环境、直接还田又带来病虫草害的两难困境，实现秸秆绿色高效还田。

　　2008年青岛承办奥运会帆船赛事期间，海上出现大量浒苔，比赛场地几乎变成“草原”。为解决浒苔的无害化处理问题，田原宇团队创新采用高压水热制油技术，将浒苔转化为生物原油，最终产出的生物油含氧量降至5%以下。近年来，随着国家禁采天然泥炭，我国泥炭100%依赖进口，价格从一百多元涨至两三千元。借鉴处理浒苔的经验，田原宇又开发了“畜禽粪便高压水热制备人工泥炭与腐植酸技术”。2024年，采用该技术在陕西建设的2.4万吨/年示范装置全线贯通，在破解养殖业最为头痛的畜禽粪便环保难题的同时，还为替代进口泥炭打开了工业化路径。

　　此外，针对我国钾肥对外依存度接近80%的“卡脖子”问题，田原宇首创钾长石连续高压水热活化—腐植酸协同改性一体化技术，钾提取率稳定达95%以上，新型长效钾肥肥效从40%左右提高到95%以上，为保障粮食安全提供了强力支撑。

　　破解“三高”，变革煤气化技术

　　如果说以上是田原宇在热解领域取得的成就，那么在气化领域他同样走出了一条变革之路。

　　煤气化是现代煤化工的龙头。过去，国内主流的煤粉气流床气化技术因“三高”问题而饱受诟病。田原宇介绍说，当时国内外的气化技术均将煤视作单一物质，缺乏分子煤化学与气化炉流动化学反应调控的理论支撑，导致第二代流化床气化炉虽易备煤、低能耗，但存在碳转化率低、燃气控油难、高含碳灰渣利用难等问题；而第三代气流床气化炉通过改变反应条件提升了碳转化率，但又存在高耗能、高耗水、高污染、备煤难、灰渣含碳量高等缺陷。

　　能否将二者的优势互补?田原宇原创性地提出“分区气化”理念，发明了复合提升管分区气化炉技术。“简单来说，就是把容易气化的煤先在提升管循环流化床里气化，难气化的飞灰再在高温气流床中熔融气化。”田原宇团队将自行研发的内循环阶梯流化床、脉冲提升管循环流化床和Y型旋流式气流床等原创设备集成耦合，发明第四代气化炉——复合提升管分区气化炉技术。2023年7月，经中国石油和化学工业联合会组织的专家鉴定，该技术“总体处于国际领先地位”。目前，该技术已应用28台套装置，近三年新增利润和增收节支超65亿元，分获山东省科技进步奖一等奖和中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖。

　　基于生物质的特性，田原宇团队进一步研发了生物质、有机固废和危废复合提升管分区催化气化炉，破解了生物质流化气化中焦油和甲烷含量高、钾离子导致流化结焦死床等世界共性难题，为绿色甲醇和生物航煤生产提供了高效气化技术支撑，采用该技术的万吨级绿色甲醇工业示范装置目前正在建设中。

　　守正出奇，走好科研育人路

　　回顾科研之路，田原宇感激每一位帮助过他的老师。袁存光教授“南路北走”的教导，段道顺教授“超前与俯视”思维的熏陶……这些思维方式被他概括为“批判性系统思维”——不迷信、不盲从，抓住整体、抓住要害，形成全局观和整体观。作为老师，他也将这种思维传承给学生。

　　批判系统性思维也体现在他对未来能源研发方向的判断上。他指出：“把合适的能源，以合适的技术，转化成合适的产品，应用到合适的地方，发挥合适的作用，就能将能源领域清洁、安全、经济这‘不可能三角’变为兼得。”具体而言，煤炭应发展特色煤化工和绿色煤电，在大规模储能技术尚未完全成熟的情况下，绿色煤电仍将作为新型能源体系的兜底电源，保障电网稳定运行；石油在燃料领域的市场空间已十分有限，应主要向化工方向发展；生物质富含纤维素等天然高分子材料，不应盲目套用煤化工或石油化工的老路，而应直接通过氢键重构获得性能优良的纤维或薄膜产品。

　　谈及下一步的研发方向，田原宇表示将聚焦绿色燃料领域。他带领团队已攻克生物质气化的关键技术难题，并结合流态化甲醇合成工艺，形成了具有自主知识产权的绿色甲醇生产技术体系。他认为，中国在这一领域具备显著的综合竞争优势，不仅拥有丰富的秸秆资源，还可利用低成本的生活垃圾乃至有机固废、有机危废，将其转化为合成气后再生产绿醇，兼具社会效益和经济效益。近期，田原宇团队正在建设万吨级示范装置。