最近,中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(以下簡(jiǎn)稱大連化物所)所長(zhǎng)劉中民團(tuán)隊(duì)頻繁往返大連與陜西榆林之間,因?yàn)樵诩磳⒌絹?lái)的9月,由劉中民團(tuán)隊(duì)歷時(shí)十年科技攻關(guān)的50萬(wàn)噸/年煤基乙醇工業(yè)裝置將正式投料試車。
投料試車成功后,這將成為全球規(guī)模最大的煤基乙醇項(xiàng)目,標(biāo)志著乙醇生產(chǎn)邁入大規(guī)模工業(yè)化時(shí)代,對(duì)保障我國(guó)能源安全、糧食安全及實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要戰(zhàn)略意義。
“這一項(xiàng)目我們直接從10萬(wàn)噸/年的規(guī)模,跨越到50萬(wàn)噸/規(guī)模,做這一決定時(shí)很多人認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)很大,但我們有信心、有動(dòng)力,因?yàn)榇筮B化物所科學(xué)家們的研究值得充分信任,技術(shù)也是企業(yè)甚至是煤化工產(chǎn)業(yè)高端化、多元化、低碳化發(fā)展緊迫需要的。”陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))(以下簡(jiǎn)稱延長(zhǎng)石油集團(tuán))科技部部長(zhǎng)王軍峰告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、
碳中和,是中國(guó)向世界作出的莊嚴(yán)承諾。中科院作為國(guó)家戰(zhàn)略科技力量主力軍,通過(guò)頂層設(shè)計(jì),發(fā)揮多學(xué)科建制化優(yōu)勢(shì),啟動(dòng)實(shí)施了“中國(guó)科學(xué)院科技支撐碳達(dá)峰
碳中和戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃”(以下簡(jiǎn)稱行動(dòng)計(jì)劃),為實(shí)現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)提供科學(xué)基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)解決方案。
在陜西榆林,來(lái)自大連化物所的技術(shù)與示范得到了驗(yàn)證。
應(yīng)用:工程轉(zhuǎn)化為國(guó)為民
走進(jìn)榆林市榆神清水工業(yè)園區(qū),高塔林立、罐爐碩大、管廊縱橫,占地1365畝的50萬(wàn)噸/年煤基乙醇工業(yè)裝置猶如鋼鐵巨俠般巍然鶴立。
乙醇是世界上公認(rèn)的環(huán)保清潔燃料,全球66%的乙醇被作為燃料添加至汽油中。曾經(jīng),我們希望在全國(guó)范圍內(nèi)推廣使用乙醇汽油,但卻沒(méi)能實(shí)現(xiàn)。
“關(guān)鍵問(wèn)題在于需求大,而乙醇量根本不夠。”劉中民告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》,過(guò)去,乙醇主要生產(chǎn)原料為糧食和糖類作物,“這就會(huì)造成與人爭(zhēng)糧、與糧爭(zhēng)地的問(wèn)題,而糧食安全是國(guó)家頭等大事、不可動(dòng)搖。”
多年來(lái),煤基乙醇技術(shù)這條“賽道”上聚集了全球諸多國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)者,但由于技術(shù)難度大、經(jīng)濟(jì)性不高,始終處在開發(fā)階段,未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。2010年10月,劉中民帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開啟了煤制乙醇關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),把剛回國(guó)并入職大連化物所的朱文良拉入隊(duì)伍作為負(fù)責(zé)人。
競(jìng)爭(zhēng)、賽跑,暗潮下激流涌動(dòng)給團(tuán)隊(duì)每個(gè)人都帶來(lái)不小的壓力。
朱文良習(xí)慣把團(tuán)隊(duì)4位成員稱為“兄弟”。“說(shuō)實(shí)話,做得很辛苦,最后取得突破確實(shí)離不開兄弟們的共同努力。”朱文良告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》,將近2年時(shí)間里,他們沒(méi)有放過(guò)假,即使周末也會(huì)到實(shí)驗(yàn)室,但始終沒(méi)有取得突破,他們也曾氣餒過(guò)。
經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)研究和研究,他們最終成功突破核心催化劑活性低、穩(wěn)定性差等難題,開發(fā)出具有高活性和高穩(wěn)定性的分子篩羰基化催化劑,為煤基乙醇技術(shù)的工業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí) 的基礎(chǔ)。
“我們的最終目標(biāo)是應(yīng)用,若用不上,對(duì)社會(huì)的實(shí)際貢獻(xiàn)是虛的。”劉中民說(shuō)。團(tuán)隊(duì)來(lái)不及慶祝,便馬不停蹄地投入到工業(yè)放大研究中。
團(tuán)隊(duì)與延長(zhǎng)石油集團(tuán)合作,2013年,完成實(shí)驗(yàn)室中試研究;2017年,具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)的全球首套10萬(wàn)噸/年煤基乙醇工業(yè)示范項(xiàng)目打通全流程,生產(chǎn)出合格無(wú)水乙醇。
回想那6年“風(fēng)風(fēng)火火”的日子,劉中民坦承,速度非???!基于扎實(shí)的基礎(chǔ)研究和豐富的工業(yè)化經(jīng)驗(yàn),他們得以說(shuō)服企業(yè),從實(shí)驗(yàn)室中試研究的100克催化劑規(guī)模,直接放大到單個(gè)反應(yīng)器裝填30噸催化劑的10萬(wàn)噸/年的工業(yè)示范裝置。而常規(guī)的工業(yè)化過(guò)程中間至少還需要催化劑噸級(jí)規(guī)模的工業(yè)中試。
在劉中民看來(lái),更重要的還在于科研團(tuán)隊(duì)、工程和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì),以及企業(yè)之間多方的協(xié)作支持,總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn),才使得大家對(duì)50萬(wàn)噸/年乙醇項(xiàng)目成功更有信心。
如今,劉中民“科技為國(guó)為民”的夢(mèng)想正在實(shí)現(xiàn)。截至目前,煤基乙醇技術(shù)許可合同10項(xiàng),累計(jì)產(chǎn)能達(dá)295萬(wàn)噸/年。十四五期間,乙醇技術(shù)的許可合同累計(jì)產(chǎn)能預(yù)計(jì)可達(dá)400萬(wàn)噸/年,預(yù)計(jì)產(chǎn)值達(dá)250億元。
此外,劉中民團(tuán)隊(duì)另一項(xiàng)應(yīng)用研究——以煤炭為原料的甲醇制烯烴系列技術(shù)已經(jīng)簽訂了31套裝置的技術(shù)實(shí)施許可合同,包含出口1套,烯烴產(chǎn)能達(dá)2025萬(wàn)噸/年,預(yù)計(jì)拉動(dòng)投資超4000億元。已投產(chǎn)的16套工業(yè)裝置,烯烴產(chǎn)能超過(guò)900萬(wàn)噸/年,新增產(chǎn)值超過(guò)900億元/年。
煤基乙醇和甲醇制烯烴技術(shù),是劉中民基于我國(guó)能源現(xiàn)狀所開發(fā)技術(shù)。
“實(shí)現(xiàn)碳中和需要低碳化轉(zhuǎn)型,這是相對(duì)長(zhǎng)期的過(guò)程。”劉中民說(shuō),當(dāng)前,我們依然處在化石能源社會(huì),我國(guó)“富煤、少氣、貧油”的資源稟賦將長(zhǎng)期存在,探索化石能源清潔高效利用的變革性技術(shù)是助推煤化工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、保障能源安全、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑。
基礎(chǔ):突破難題創(chuàng)新引領(lǐng)
2019年9月13日,中秋,一輪皎潔圓月懸掛天空,將工業(yè)園區(qū)照的通明。
延長(zhǎng)石油集團(tuán)科技部部長(zhǎng)王軍峰一直記得這個(gè)日子,那是基于大連化物所包信和院士和潘秀蓮研究員團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)性成果“合成氣直接轉(zhuǎn)化制低碳烯烴”技術(shù),而建的全球首套煤經(jīng)合成氣制低碳烯烴的千噸級(jí)全流程工業(yè)試驗(yàn)裝置投料試車的關(guān)鍵階段。
“那天晚上,包老師就吃了個(gè)饅頭,他和潘老師認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌芽刂總€(gè)細(xì)節(jié),和開車團(tuán)隊(duì)一起值守到深夜。”王軍峰指著手機(jī)上照片拍攝時(shí)間告訴記者“1點(diǎn)56分”。
這項(xiàng)“合成氣直接轉(zhuǎn)化制低碳烯烴”技術(shù)是我國(guó)完全自主從原創(chuàng)基礎(chǔ)研究突破出發(fā),實(shí)現(xiàn)過(guò)程放大和工業(yè)示范的創(chuàng)新成果。
這是一條歷經(jīng)近10年的研發(fā)之路。早在2007年,研究團(tuán)隊(duì)就提出了采用雙功能耦合催化劑體系,探索合成氣直接轉(zhuǎn)化制烯烴的構(gòu)想。這是一個(gè)讓人激動(dòng)萬(wàn)分的科學(xué)構(gòu)想,如果能實(shí)現(xiàn),將對(duì)傳統(tǒng)的工藝路線是一個(gè)顛覆性變革,對(duì)我國(guó)能源安全戰(zhàn)略也具有深遠(yuǎn)意義。
團(tuán)隊(duì)充滿希望的前行,卻充滿各種挑戰(zhàn)和艱辛。起初,他們從催化劑的基本原理入手,設(shè)計(jì)了“核殼”催化劑,希望催化活性中心處在催化劑“球體”的中心位置,四周包裹多孔分子篩,讓合成氣在核層的活性中心上被活化,生成中間體,并在殼層分子篩孔道中產(chǎn)生目標(biāo)產(chǎn)物。然而,實(shí)驗(yàn)結(jié)果總是達(dá)不到預(yù)期效果,一次一次失敗,一次一次優(yōu)化改進(jìn),歷經(jīng)了兩屆博士生都未能產(chǎn)生理想結(jié)果。
“明明原理上可行,為什么就行不通呢?”潘秀蓮和團(tuán)隊(duì)成員反復(fù)問(wèn)自己。他們決定重新上陣,這次他們另辟蹊徑,轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)方式——讓金屬氧化物活性中心與分子篩分開,讓它們各司其職,將控制反應(yīng)活性和產(chǎn)物選擇性的兩類催化活性中心分開到一定距離,從而形成了一種復(fù)合的雙功能催化劑體系。
經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)不斷優(yōu)化,預(yù)期實(shí)現(xiàn),結(jié)果令人振奮!2016年3月4日,美國(guó)《科學(xué)》雜志刊登了這一研究成果,并同期刊發(fā)了以“令人驚奇的選擇性”為題的
專家評(píng)述文章,
專家認(rèn)為該過(guò)程未來(lái)在工業(yè)上將具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)力。
這項(xiàng)合成氣催化轉(zhuǎn)化研究,團(tuán)隊(duì)摒棄了延續(xù)90多年費(fèi)托合成路線,開創(chuàng)了一條低耗水、低耗能的煤基合成氣轉(zhuǎn)化制烯烴的新途徑,將對(duì)更好地服務(wù)國(guó)家能源安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)具有重要意義。
“十年磨一劍”,這期間,團(tuán)隊(duì)除了申報(bào)專利,未曾公開發(fā)表過(guò)一篇相關(guān)研究的文章。德國(guó)一位專家在得知這一成果后,沮喪地說(shuō):“這個(gè)點(diǎn)子為什么不是我們先想到的?”包信和回答道:“你們想到的點(diǎn)子已經(jīng)很多了,也該輪到我們了。”
回想過(guò)去,盡管艱辛,但潘秀蓮多次提到包信和的一句話:“只要方向?qū)?,不怕路途遠(yuǎn),只要堅(jiān)持,再冷的板凳也能給坐熱。”
基礎(chǔ)研究取得突破后,包信和和潘秀蓮領(lǐng)導(dǎo)的基礎(chǔ)研究團(tuán)隊(duì)和劉中民院士領(lǐng)導(dǎo)的應(yīng)用研究團(tuán)隊(duì)合作,組建技術(shù)攻關(guān)小組,并與延長(zhǎng)石油集團(tuán)合作,迅速推動(dòng)科技成果從實(shí)驗(yàn)室快速走向應(yīng)用開發(fā)。合成氣制烯烴千噸級(jí)工業(yè)試驗(yàn)裝置建設(shè)時(shí),包信和提出了“科教報(bào)國(guó)、創(chuàng)新引領(lǐng)、產(chǎn)研融合、高端發(fā)展”16字,并高高懸掛于裝置上,這是團(tuán)隊(duì)的堅(jiān)定信念和真實(shí)寫照。
科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)催化劑各項(xiàng)指標(biāo)和性能持續(xù)不斷進(jìn)行優(yōu)化,同時(shí)工藝設(shè)計(jì)和工程開發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)工藝流程和分離系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),全力推進(jìn)工程化轉(zhuǎn)化和工業(yè)示范,力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。”潘秀蓮說(shuō)。
示范:科技“雙碳”雙向奔赴
無(wú)論是工程轉(zhuǎn)化還是基礎(chǔ)研究,中科院幾代科技工作者聚焦“雙碳”戰(zhàn)略需求,“數(shù)十年如一日”深耕“雙碳”領(lǐng)域,接續(xù)前行、賡續(xù)奮斗,站在突破關(guān)鍵核心技術(shù)和工程建設(shè)難點(diǎn)的第一線。
“碳中和目標(biāo)提出之后,涌現(xiàn)了各種各樣的技術(shù)路徑和解決方案,它們之中甚至有些事矛盾的,我們必須要頂層設(shè)計(jì),發(fā)揮科技創(chuàng)新的引領(lǐng)作用,找到未來(lái)合理的雙碳發(fā)展路徑,這是當(dāng)務(wù)之急。”在劉中民看來(lái),實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,不只需要發(fā)展單項(xiàng)技術(shù),更需要各能源分系統(tǒng)耦合互補(bǔ),各自發(fā)揮所長(zhǎng)、規(guī)避短板,跨部門、跨行業(yè)、跨領(lǐng)域聯(lián)動(dòng)。
2018年,中科院批準(zhǔn)依托大連化物所組織實(shí)施“潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng),專項(xiàng)提出了以化石資源清潔高效利用與耦合替代、
清潔能源多能互補(bǔ)與規(guī)模應(yīng)用、低碳化多能戰(zhàn)略融合為三條主線的多能融合互補(bǔ)的
清潔能源發(fā)展策略,以期實(shí)現(xiàn)化石能源、可再生能源、核能的融合發(fā)展,構(gòu)建多能融合的新型能源體系,加快推進(jìn)能源革命。
為更快更好驗(yàn)證技術(shù)方案和示范,2019年12月9日,陜西省政府和中科院共創(chuàng)“榆林國(guó)家級(jí)能源革命創(chuàng)新示范區(qū)”,并在榆林建設(shè)了榆林中科潔凈能源創(chuàng)新研究院,積極支持中科院“行動(dòng)計(jì)劃”和實(shí)施方案。
“榆林有中國(guó)‘科威特’之稱,甚至比它更有優(yōu)勢(shì),這是因?yàn)檫@里匯集了煤、氣、油、鹽,以及風(fēng)光電水等多種資源,是多能融合和集中示范的最佳之地。”榆林中科潔凈能源創(chuàng)新研究院執(zhí)行院長(zhǎng)任曉光告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》,榆林有產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型需求、有發(fā)展動(dòng)力,我們與榆林一拍即合。
在榆林示范區(qū),中科院將負(fù)責(zé)能源產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計(jì)和戰(zhàn)略規(guī)劃,提供技術(shù)和人才支持,陜西省及榆林市將整合財(cái)政資金、能源資源和產(chǎn)業(yè)基金,加大投入力度,雙方共同打造大型多能融合集成示范基地,以期形成集前沿技術(shù)開發(fā)、人才集聚培育、科技創(chuàng)新服務(wù)、優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)資本等于一體的能源革命創(chuàng)新示范區(qū),為構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”的國(guó)家能源體系先行先試。
未來(lái),不只是在陜西榆林,中科院在“行動(dòng)計(jì)劃”整體布局下,發(fā)揮全院“一盤棋”,統(tǒng)籌資源和優(yōu)勢(shì)力量,以解決關(guān)鍵核心科技問(wèn)題為抓手,促進(jìn)構(gòu)建
綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系和清潔低碳、安全高效的能源體系,推進(jìn)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí),加快
綠色低碳科技革命,積極支撐中國(guó)參與和引領(lǐng)全球氣候治理,為國(guó)家實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)提供強(qiáng)有力的科技支撐。
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