中國科學院過程工程研究所 曹宏斌：探索工業(yè)減碳降污新方法

工業(yè)降碳減污是實現(xiàn)我國“雙碳”目標的關鍵環(huán)節(jié)。工業(yè)領域的綠色低碳轉(zhuǎn)型，推動了綠色技術的進步與產(chǎn)業(yè)升級，為培育產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢提供了新的機遇。

 

如何研發(fā)工業(yè)生產(chǎn)全過程降碳減污的新方法？如何讓企業(yè)在降碳減污過程中，更好地實現(xiàn)轉(zhuǎn)型和發(fā)展？這是中國科學院過程工程研究所研究員曹宏斌一直在思考的問題。

 

多年來，曹宏斌帶領團隊面向工業(yè)降碳減污的重大需求，重點在流程制造業(yè)開展科技創(chuàng)新與工程實踐，為行業(yè)提供了關鍵的核心技術和工程案例。

 

研發(fā)綠色發(fā)展技術

 

化工、鋼鐵、有色、醫(yī)藥、建材等流程制造業(yè)在國計民生方面具有十分重要的戰(zhàn)略地位。在曹宏斌看來，流程制造業(yè)實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的難點在于多目標的同時實現(xiàn)。

 

“綠色發(fā)展要求企業(yè)降碳減污，但同時企業(yè)的生存需要盈利，這就要求二者兼顧，實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)與末端處理的總成本最小化。”曹宏斌說。

 

實現(xiàn)深度分離，是工業(yè)減污降碳非常重要和有效的環(huán)節(jié)。通過分離，將水、空氣等介質(zhì)中的有毒有害物質(zhì)濃度降低，滿足排放標準，同時盡量將這些組分濃縮成有價產(chǎn)品。

 

“據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)中，60%以上的‘三廢’（廢水、廢氣和固體廢棄物）是由于分離不徹底導致的，而且分離過程的能耗在整個工業(yè)過程中占比超過50%。”曹宏斌介紹。

 

2006年，一家來自遼寧葫蘆島的企業(yè)找到曹宏斌。企業(yè)堆積了大量的釩鉻渣，由于釩鉻深度分離及含重金屬氨氮廢水處理問題沒有得到解決，前期投入的數(shù)千萬元幾乎打了水漂。

 

“釩和鉻兩個元素的結(jié)構性質(zhì)非常相近，深度分離起來是個難題。”看到企業(yè)的難處之后，年輕的曹宏斌在中國工程院院士、過程工程所研究員張懿的支持和幫助下迎難而上，欣然接受了這個考驗。經(jīng)過5年艱苦的基礎研究、技術研發(fā)和工程應用，他帶領團隊成功建立了釩鉻渣高效利用新工藝和國內(nèi)外首座產(chǎn)業(yè)化工程，解決了釩鉻深度分離、重金屬和氨深度分離等難題，實現(xiàn)了污染物近零排放，使總資源利用率提高30%以上。這項成果獲得2013年國家技術發(fā)明獎二等獎。

 

“科研成果要更好地實現(xiàn)工業(yè)應用，幫助企業(yè)解決污染問題的同時，還要想辦法提高經(jīng)濟效益。”曹宏斌說。

 

解決企業(yè)實際問題

 

在20多年的科研生涯中，曹宏斌有兩個“戰(zhàn)場”——一個是實驗室，一個是工廠車間。

 

“實驗室研究為新技術提供了技術指標可達性的嘗試，而工廠車間現(xiàn)場研究則是在此基礎上進一步驗證新技術的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。”曹宏斌說。

 

這些年，曹宏斌常常奔走在解決企業(yè)實際問題的一線，與科研團隊和企業(yè)技術人員一起想辦法、搞試驗，確保工程不出差錯。

 

在葫蘆島攻克釩鉻分離難題時，為了確保工程試驗順利進行，曹宏斌和團隊成員24小時輪班“在線”。一旦現(xiàn)場出現(xiàn)問題，必須馬上解決，幾乎長時間處于高壓狀態(tài)。幾年下來，曹宏斌的頭發(fā)熬白了一半。

 

“為了降低工程風險，我們做了中試，前6次全部失敗，直到第七次才試驗成功。”曹宏斌說，“雖然壓力很大，但是工程成功帶來的成就感更大。”

 

從葫蘆島、鞍山到攀枝花、吐魯番、三門峽，再到天津、長沙……這些年，許多企業(yè)在曹宏斌團隊的技術支持下陸續(xù)解決了污染處理問題。他認為，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，廢氣、廢水與固廢通常是同時存在、直接相關。為此，工業(yè)污染治理要建立氣—水—固污染的跨介質(zhì)高效協(xié)同機制。

 

除此之外，曹宏斌團隊還在鋰電池固廢處理技術上取得技術突破，形成了信息平臺搭建—有價組分高效分離―介質(zhì)循環(huán)與二次污染控制技術研發(fā)—集成與工程應用優(yōu)化—行業(yè)標準制定的貫通研究。

 

“高效處理廢鋰電池能夠?qū)⑵渲懈吒郊又档年P鍵金屬等回收再利用，同時消除廢鋰電池及處理過程對環(huán)境的污染和安全隱患。”曹宏斌說，團隊相關研究成果目前已服務國內(nèi)60%以上的產(chǎn)能。

 

實現(xiàn)治污系統(tǒng)優(yōu)化

 

獨立思考、勇于實踐、善于合作、快樂健康——這是曹宏斌對科研團隊的希望。

 

“我所從事的研究領域?qū)儆诙鄬W科交叉，我一直提倡年輕科研人員相互學習，勇于探索未知領域，尋找新的方法和結(jié)論。”曹宏斌說，目前他的研究團隊成員研究領域橫跨多個專業(yè)，“有研究催化的、分離的，有搞系統(tǒng)工程的、環(huán)境的，有做基礎研究的、做應用的……每個人都要有綜合性的思考、做貫通式的研究，這是我對團隊的要求。”

 

在曹宏斌看來，經(jīng)過廣大科研人員的不斷努力以及企業(yè)實踐，我國工業(yè)污染治理的技術水平已經(jīng)實現(xiàn)了從“跟跑”到“領跑”的轉(zhuǎn)變，但在新污染物的高效控制技術、高精度單元模型構建技術、高效反應/分離新材料與藥劑等方面仍面臨著很多難題和考驗。

 

“以高精度單元模型為例，人們對流程制造業(yè)生產(chǎn)中的化學反應過程認知不足，很難像對物理過程那樣精準建模。”曹宏斌說，“如果能夠解決這一難題，那么少人甚至無人的智慧工廠就可以在流程制造業(yè)實現(xiàn)更廣泛的應用。”

 

曹宏斌介紹，團隊數(shù)十年的科研與工業(yè)實踐以及人工智能、大數(shù)據(jù)等技術的快速發(fā)展，為探索新的工業(yè)降碳減污技術提供了基礎。他和團隊下一步計劃重點開展機理——數(shù)據(jù)雙驅(qū)動強化工業(yè)減污降碳的理論、技術與應用研究。

 

“工業(yè)降碳減污是一個系統(tǒng)工程，不能僅通過局部優(yōu)化解決問題，更重要的是將不同單元的技術進行集成，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。”曹宏斌說。