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“液態(tài)陽光” 推動碳達峰碳中和的技術新路徑

文章來源:甘肅日報 左玉麗 劉 健2022-06-08 10:19

以太陽能為動力,水和二氧化碳作原料,在催化劑作用下合成出甲醇,用以替代化石能源,實現(xiàn)碳的循環(huán)利用——甘肅籍中國科學院院士、中科院大連化學物理研究所研究員、博士生導師李燦及其團隊,歷時20載攻克的液態(tài)太陽燃料合成技術,將這一夢想變?yōu)楝F(xiàn)實。
 
而隨著液態(tài)太陽燃料合成技術在蘭州新區(qū)成功完成工業(yè)化驗證,使早日實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”有了一條全新路徑。
 
二氧化碳變廢為寶
 
車輛離開蘭州新區(qū)繁華的核心區(qū),沿著筆直開闊的道路向西北方向行駛20余公里,便到了蘭州新區(qū)傾力打造的化工園區(qū)。道路一側的一座小山丘上,漫山遍野鋪滿了光伏板,在陽光照射下顯得格外壯觀。
 
“這是液態(tài)太陽燃料合成示范項目的光伏發(fā)電部分,占地259畝,用來將太陽能轉化為電能。”蘭州新區(qū)石投集團高級技術主管李春新介紹說。
 
距離山丘不遠,就是項目的主廠區(qū),里面矗立著項目的核心設備——各種各樣的裝置、在空中穿梭交織的管道、高聳的反應塔,顯示出十足的科技范兒。
 
“用山丘上光伏板發(fā)的電,將水電解為氫氣和氧氣,再讓氫氣和二氧化碳反應,就生產(chǎn)出了甲醇,也就是我們所說的‘液態(tài)陽光’。”李春新盡量用最簡要的語言道明了項目的原理。
 
甲醇,可作為燃料替代石油,同時也是一種重要的化學中間體,在化工領域應用非常廣泛。
 
電解水制氫,氫再與二氧化碳反應制甲醇,在實驗室早就在研究,液態(tài)太陽燃料合成示范項目有何特別之處?
 
“關鍵在于合成過程中使用了李燦院士團隊所研發(fā)的高效催化劑。”李春新說,這一項目由光伏發(fā)電、電解水制氫、二氧化碳加氫等3個重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)組成,其中,李燦院士團隊研發(fā)的催化劑在后面兩個環(huán)節(jié)發(fā)揮了關鍵作用。
 
催化劑是在化學反應中加入的一種特殊物質(zhì),其本身不會參與反應,卻可以加快化學反應的速度,全面提升效率。
 
實驗室里,通過電解水得到氫氣,再讓二氧化碳與氫氣反應生成甲醇的過程復雜漫長,且條件也相對苛刻,而沒有實現(xiàn)大規(guī)模化工業(yè)過程。而李燦院士團隊研發(fā)的高效催化劑,則極大加快了電解水和二氧化碳加氫的進程,解決了關鍵技術難題,使工業(yè)化生產(chǎn)“液態(tài)陽光”變?yōu)榱爽F(xiàn)實。
 
“通俗地講,液態(tài)太陽燃料合成示范項目就是利用太陽能、水和二氧化碳生產(chǎn)出甲醇的過程,它將無形的太陽能量轉移到了液態(tài)的甲醇當中,因此,以這種方式得到的甲醇被形象地稱為‘液態(tài)陽光’。”李春新進一步解釋說。
 
蘭州新區(qū)化工園區(qū)總顧問、蘭州大學化學系教授張有賢認為,“液態(tài)陽光”合成技術是一項革命性的技術,其重大現(xiàn)實意義在于將二氧化碳變?yōu)橹匾纳a(chǎn)原料,劃時代地解決了工業(yè)二氧化碳尾氣的利用問題。
 
“工業(yè)生產(chǎn)過程中,二氧化碳之所以被大量排放,是因為它無法被大量利用,產(chǎn)生不了價值。而在‘液態(tài)陽光’的生產(chǎn)中,二氧化碳變成了重要原料,有了利用的價值。”張有賢說,液態(tài)太陽燃料合成示范項目不僅將太陽的能量轉移到了液態(tài)的甲醇中,也使二氧化碳中的碳元素“封存”到了甲醇中,這是人類利用二氧化碳的一次重大創(chuàng)舉。
 
催化技術重大創(chuàng)新
 
中國科學院大連化學物理研究所位于遼寧省大連市沙河口區(qū),不遠處就是大連著名的星海廣場和星海公園,依山而建、環(huán)境優(yōu)美。
 
大連化物所是一座以基礎研究與應用研究見長的綜合性研究所,催化化學是其重要的研究領域。自1983年到大連化物所讀研究生以來,李燦院士不斷向著一座又一座催化領域高峰努力攀登。“液態(tài)陽光”則是李燦和他的團隊在催化劑研究上又一次重大突破。
 
“‘液態(tài)陽光’合成成功,實際上就是催化技術的成功。”近期,記者專程前往大連化物所,對李燦院士進行了專訪。李燦介紹說,“液態(tài)陽光”的合成過程中,通過加入催化劑,大幅提升了電解水制氫、二氧化碳加氫兩個生產(chǎn)環(huán)節(jié)效率。
 
也就是說,李燦團隊分別攻克了兩大催化技術。
 
以電解水制氫為例:傳統(tǒng)電解水制氫能耗大,生產(chǎn)出同樣體積的氫氣不僅成本高,而且速度慢。但使用李燦院士團隊研發(fā)的先進電催化劑后,單位時間內(nèi)電解的氫氣量大幅增加。
 
“以前,一小時能夠出幾百立方米氫氣就已經(jīng)了不起了,現(xiàn)在我們可以出1000立方米以上,這是一個很大的進步。”李燦說。
 
制氫速度提升的同時,還有成本的下降。
 
傳統(tǒng)制氫,每產(chǎn)生1立方米氫氣大概需要耗5度以上的電能,但蘭州新區(qū)液態(tài)太陽燃料合成示范項目把生產(chǎn)1立方米氫氣的耗電量降至4.3度。
 
“別小看這0.7度,一方省下0.7度,1億立方米、10億立方米又要省下多少電,這個量大得不得了。”李燦說,工業(yè)生產(chǎn)必須要考慮效率和成本,否則沒有企業(yè)愿意干。
 
前沿技術的探索之路往往充滿著艱辛。
 
“液態(tài)陽光”的成功,研制出具有很強靶向性的催化劑是關鍵。一次次試驗、一次次失敗,李燦院士團隊沒有放棄。
 
“加入催化劑后,要讓氫氣和二氧化碳反應后生成甲醇,而不是甲烷之類的其他物質(zhì)。”李燦院士說。
 
與實驗室環(huán)境不同,工業(yè)合成“液態(tài)陽光”必須要充分考慮到雜質(zhì)、水、溫度等對催化劑的影響。
 
比如:要確保催化劑耐高溫,溫度升高不會被燒死、燒結。同時,工業(yè)二氧化碳含有大量雜質(zhì),有毒化作用,這又需要催化劑要特別“皮實”,既要在溫度高的時候不怕燒結,又要同時在各種各樣的“粗糧雜糧”原料過來能夠被消納。
 
“一般的催化劑很怕水,溫度高的時候,水對催化劑的破壞很嚴重,而二氧化碳加氫過程中會產(chǎn)生大量的水,又給我們帶來新的問題、新的挑戰(zhàn)。”李燦說。
 
通過許多次攻關,一系列問題最終逐一得到解決。
 
2020年10月15日,蘭州新區(qū)“液態(tài)陽光”示范項目通過了中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會組織的科技成果鑒定。來自全國各地的權威專家一致認為:這一項目具有完全自主知識產(chǎn)權,整體技術處于國際領先。
 
而“液態(tài)陽光”項目運行數(shù)據(jù)也顯示,項目運行1000小時的時候,催化劑依然沒有明顯失活,抗中毒和抗燒結良好,達到了推廣條件。這意味著“液態(tài)陽光”這一科技成果已經(jīng)具備工業(yè)化生產(chǎn)條件。
 
蘭州新區(qū)“液態(tài)陽光”示范項目為下一步建設10萬噸級、百萬噸級的“液態(tài)陽光”生產(chǎn)線打下了基礎。
 
“太陽能是取之不盡用之不竭的,同樣的道理,我們還可以用風能、水能等綠色能源發(fā)電,與水和二氧化碳合成出清潔的甲醇。”李燦說。
 
技術應用前景廣闊
 
2020年1月17日,注定是一個值得銘記的日子。這一天,總占地面積289畝,投資約1.4億元的蘭州新區(qū)液態(tài)太陽燃料合成示范項目成功投運,呈液體狀的粗甲醇第一次從設備終端的管道中流出。
 
“電是通過光伏發(fā)電得到的,水是普通的工業(yè)用水,二氧化碳是從合成氨工廠尾氣中捕獲的,完全實現(xiàn)了綠色生產(chǎn)。”李燦院士團隊的王集杰博士見證了這歷史性的一刻。
 
化學品的工業(yè)化生產(chǎn)存在著放大效應,在相同的操作條件下,利用小型設備在實驗室得出的研究結果,往往與大型生產(chǎn)裝置得出的結果有很大差別。
 
“在實驗室里,最初放入反應管的催化劑只有1克,成功后,我們把量放大100倍以上,也就是加入100克催化劑再看結果,成功了,才有了進行工業(yè)試驗的基礎。”王集杰說。
 
從試驗室中的瓶瓶罐罐,到完成工業(yè)中試,是“液態(tài)陽光”合成技術的一次大跨越。
 
蘭州新區(qū)液態(tài)太陽燃料合成示范項目可年產(chǎn)甲醇1000噸,反應器中投入的催化劑達到了1.6噸,是原始試驗的160萬倍,達到了項目的工業(yè)化示范作用。
 
“現(xiàn)在的任務是進行推廣應用,建設10萬噸級甚至規(guī)模更大的項目。”王集杰說。
 
新技術能否被推廣,還要算經(jīng)濟賬。
 
蘭州新區(qū)液態(tài)太陽燃料合成示范項目有關負責人、蘭州新區(qū)石投集團有限公司總經(jīng)理姜錦算過一筆賬,在這一項目中,每噸甲醇的生產(chǎn)成本為3000元。而以傳統(tǒng)的煤化工方式生產(chǎn),每噸甲醇的成本約為2000元。
 
3000元與2000元,貌似“液態(tài)陽光”合成技術缺乏競爭力。
 
“項目的二氧化碳是購買的,因此增加了500元的成本,而隨著‘碳達峰’‘碳中和’目標的提出,傳統(tǒng)二氧化碳排放企業(yè)面臨巨大的減排壓力,我們項目很有可能‘零成本’甚至負成本獲得二氧化碳,從而使‘液態(tài)陽光’成本大幅降低。”姜錦說。
 
在合成“液態(tài)陽光”過程中,除了二氧化碳,電價也對成本有著重要的影響。另一個好消息是,隨著技術的進步,光伏發(fā)電的成本也在不斷下降。
 
“3000元的成本是按每度電0.20元的價格計算的,現(xiàn)在有些地方光伏發(fā)電成本已經(jīng)大幅下降。”對“液態(tài)陽光”合成技術的推廣前景,姜錦充滿信心。
 
在液態(tài)太陽燃料合成示范項目中,之所以將甲醇稱為“液態(tài)陽光”,是因為太陽的能量被一步步轉移到了甲醇中。項目落戶蘭州新區(qū),一個重要原因就是當?shù)睾0胃?,太陽能資源豐富。
 
“當然,這也同蘭州新區(qū)對高科技成果應用的重視密不可分,從2018年考察對接到2019年開工,再到2020年建成試運行,僅僅用了1年多的時間,蘭州新區(qū)從土地、資金等多個方面給予了大力支持。”姜錦說。
 
在王集杰看來,蘭州新區(qū)液態(tài)太陽燃料合成示范項目的影響將會非常深遠。
 
我國每年的二氧化碳排放量約100億噸,其中近一半集中在電力、化工、冶金等八大行業(yè)。如果能將這些二氧化碳捕集用于制造甲醇,按1.4∶1的二氧化碳投入和甲醇產(chǎn)出比例,就等于全國每年在減排50億噸二氧化碳的同時,能夠生產(chǎn)出35億噸甲醇,社會效應無法估量。
 
王集杰說,目前工業(yè)捕集二氧化碳技術已經(jīng)相對成熟,未來,人們還可以對輪船等排放的二氧化碳進行捕集利用。
 
“液態(tài)陽光”合成技術在蘭州新區(qū)完成工業(yè)化驗證后,引起社會廣泛關注。
 
在中國可再生能源學會科學技術獎評審中,液態(tài)太陽燃料合成項目榮獲技術發(fā)明獎一等獎。
 
“已經(jīng)有多家企業(yè)來對接合作,有的已經(jīng)進入合同起草階段,很快就有10萬噸級以上的液態(tài)陽光甲醇合成項目啟動建設。”王集杰說。
 
太陽能為動力,將二氧化碳變廢為寶,實現(xiàn)碳的資源化循環(huán)利用,這一天很快就會到來。
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