一場科技與“雙碳”的雙向奔赴

最近，中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）所長劉中民團隊頻繁往返大連與陜西榆林之間，因為在即將到來的9月，由劉中民團隊歷時十年科技攻關的50萬噸/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目，標志著乙醇生產(chǎn)邁入大規(guī)模工業(yè)化時代，對保障我國能源安全、糧食安全及實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要戰(zhàn)略意義。

 

“這一項目我們直接從10萬噸/年的規(guī)模，跨越到50萬噸/規(guī)模，做這一決定時很多人認為風險很大，但我們有信心、有動力，因為大連化物所科學家們的研究值得充分信任，技術也是企業(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。”陜西延長石油（集團）（以下簡稱延長石油集團）科技部部長王軍峰告訴《中國科學報》。

 

實現(xiàn)碳達峰、碳中和，是中國向世界作出的莊嚴承諾。中科院作為國家戰(zhàn)略科技力量主力軍，通過頂層設計，發(fā)揮多學科建制化優(yōu)勢，啟動實施了“中國科學院科技支撐碳達峰碳中和戰(zhàn)略行動計劃”（以下簡稱行動計劃），為實現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標提供科學基礎、關鍵技術和系統(tǒng)解決方案。

 

在陜西榆林，來自大連化物所的技術與示范得到了驗證。

 

應用：工程轉化為國為民

 

走進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)，我們希望在全國范圍內(nèi)推廣使用乙醇汽油，但卻沒能實現(xiàn)。

 

“關鍵問題在于需求大，而乙醇量根本不夠。”劉中民告訴《中國科學報》，過去，乙醇主要生產(chǎn)原料為糧食和糖類作物，“這就會造成與人爭糧、與糧爭地的問題，而糧食安全是國家頭等大事、不可動搖。”

 

多年來，煤基乙醇技術這條“賽道”上聚集了全球諸多國家的競爭者，但由于技術難度大、經(jīng)濟性不高，始終處在開發(fā)階段，未能實現(xiàn)工業(yè)化。2010年10月，劉中民帶領團隊開啟了煤制乙醇關鍵技術攻關，把剛回國并入職大連化物所的朱文良拉入隊伍作為負責人。

 

競爭、賽跑，暗潮下激流涌動給團隊每個人都帶來不小的壓力。

 

朱文良習慣把團隊4位成員稱為“兄弟”。“說實話，做得很辛苦，最后取得突破確實離不開兄弟們的共同努力。”朱文良告訴《中國科學報》，將近2年時間里，他們沒有放過假，即使周末也會到實驗室，但始終沒有取得突破，他們也曾氣餒過。

 

經(jīng)過反復試驗研究和研究，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，為煤基乙醇技術的工業(yè)化奠定了堅實 的基礎。

 

“我們的最終目標是應用，若用不上，對社會的實際貢獻是虛的。”劉中民說。團隊來不及慶祝，便馬不停蹄地投入到工業(yè)放大研究中。

 

團隊與延長石油集團合作，2013年，完成實驗室中試研究；2017年，具有我國自主知識產(chǎn)權技術的全球首套10萬噸/年煤基乙醇工業(yè)示范項目打通全流程，生產(chǎn)出合格無水乙醇。

 

回想那6年“風風火火”的日子，劉中民坦承，速度非常快！基于扎實的基礎研究和豐富的工業(yè)化經(jīng)驗，他們得以說服企業(yè)，從實驗室中試研究的100克催化劑規(guī)模，直接放大到單個反應器裝填30噸催化劑的10萬噸/年的工業(yè)示范裝置。而常規(guī)的工業(yè)化過程中間至少還需要催化劑噸級規(guī)模的工業(yè)中試。

 

在劉中民看來，更重要的還在于科研團隊、工程和設計團隊，以及企業(yè)之間多方的協(xié)作支持，總結經(jīng)驗、規(guī)避風險，才使得大家對50萬噸/年乙醇項目成功更有信心。

 

如今，劉中民“科技為國為民”的夢想正在實現(xiàn)。截至目前，煤基乙醇技術許可合同10項，累計產(chǎn)能達295萬噸/年。十四五期間，乙醇技術的許可合同累計產(chǎn)能預計可達400萬噸/年，預計產(chǎn)值達250億元。

 

此外，劉中民團隊另一項應用研究——以煤炭為原料的甲醇制烯烴系列技術已經(jīng)簽訂了31套裝置的技術實施許可合同，包含出口1套，烯烴產(chǎn)能達2025萬噸/年，預計拉動投資超4000億元。已投產(chǎn)的16套工業(yè)裝置，烯烴產(chǎn)能超過900萬噸/年，新增產(chǎn)值超過900億元/年。

 

煤基乙醇和甲醇制烯烴技術，是劉中民基于我國能源現(xiàn)狀所開發(fā)技術。

 

“實現(xiàn)碳中和需要低碳化轉型，這是相對長期的過程。”劉中民說，當前，我們依然處在化石能源社會，我國“富煤、少氣、貧油”的資源稟賦將長期存在，探索化石能源清潔高效利用的變革性技術是助推煤化工產(chǎn)業(yè)轉型升級、保障能源安全、實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑。

 

基礎：突破難題創(chuàng)新引領

 

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。

 

延長石油集團科技部部長王軍峰一直記得這個日子，那是基于大連化物所包信和院士和潘秀蓮研究員團隊原創(chuàng)性成果“合成氣直接轉化制低碳烯烴”技術，而建的全球首套煤經(jīng)合成氣制低碳烯烴的千噸級全流程工業(yè)試驗裝置投料試車的關鍵階段。

 

“那天晚上，包老師就吃了個饅頭，他和潘老師認真嚴謹?shù)陌芽刂總€細節(jié)，和開車團隊一起值守到深夜。”王軍峰指著手機上照片拍攝時間告訴記者“1點56分”。

 

這項“合成氣直接轉化制低碳烯烴”技術是我國完全自主從原創(chuàng)基礎研究突破出發(fā)，實現(xiàn)過程放大和工業(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，研究團隊就提出了采用雙功能耦合催化劑體系，探索合成氣直接轉化制烯烴的構想。這是一個讓人激動萬分的科學構想，如果能實現(xiàn)，將對傳統(tǒng)的工藝路線是一個顛覆性變革，對我國能源安全戰(zhàn)略也具有深遠意義。

 

團隊充滿希望的前行，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，設計了“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)生目標產(chǎn)物。然而，實驗結果總是達不到預期效果，一次一次失敗，一次一次優(yōu)化改進，歷經(jīng)了兩屆博士生都未能產(chǎn)生理想結果。

 

“明明原理上可行，為什么就行不通呢？”潘秀蓮和團隊成員反復問自己。他們決定重新上陣，這次他們另辟蹊徑，轉變實現(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，從而形成了一種復合的雙功能催化劑體系。

 

經(jīng)過反復實驗不斷優(yōu)化，預期實現(xiàn)，結果令人振奮！2016年3月4日，美國《科學》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”為題的專家評述文章，專家認為該過程未來在工業(yè)上將具有巨大的競爭力。

 

這項合成氣催化轉化研究，團隊摒棄了延續(xù)90多年費托合成路線，開創(chuàng)了一條低耗水、低耗能的煤基合成氣轉化制烯烴的新途徑，將對更好地服務國家能源安全和經(jīng)濟社會建設具有重要意義。

 

“十年磨一劍”，這期間，團隊除了申報專利，未曾公開發(fā)表過一篇相關研究的文章。德國一位專家在得知這一成果后，沮喪地說：“這個點子為什么不是我們先想到的？”包信和回答道：“你們想到的點子已經(jīng)很多了，也該輪到我們了。”

 

回想過去，盡管艱辛，但潘秀蓮多次提到包信和的一句話：“只要方向對，不怕路途遠，只要堅持，再冷的板凳也能給坐熱。”

 

基礎研究取得突破后，包信和和潘秀蓮領導的基礎研究團隊和劉中民院士領導的應用研究團隊合作，組建技術攻關小組，并與延長石油集團合作，迅速推動科技成果從實驗室快速走向應用開發(fā)。合成氣制烯烴千噸級工業(yè)試驗裝置建設時，包信和提出了“科教報國、創(chuàng)新引領、產(chǎn)研融合、高端發(fā)展”16字，并高高懸掛于裝置上，這是團隊的堅定信念和真實寫照。

 

科研團隊進一步對催化劑各項指標和性能持續(xù)不斷進行優(yōu)化，同時工藝設計和工程開發(fā)團隊對工藝流程和分離系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，全力推進工程化轉化和工業(yè)示范，力爭早日實現(xiàn)技術產(chǎn)業(yè)化。”潘秀蓮說。

 

示范：科技“雙碳”雙向奔赴

 

無論是工程轉化還是基礎研究，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”領域，接續(xù)前行、賡續(xù)奮斗，站在突破關鍵核心技術和工程建設難點的第一線。

 

“碳中和目標提出之后，涌現(xiàn)了各種各樣的技術路徑和解決方案，它們之中甚至有些事矛盾的，我們必須要頂層設計，發(fā)揮科技創(chuàng)新的引領作用，找到未來合理的雙碳發(fā)展路徑，這是當務之急。”在劉中民看來，實現(xiàn)“雙碳”目標是一項復雜的系統(tǒng)工程，不只需要發(fā)展單項技術，更需要各能源分系統(tǒng)耦合互補，各自發(fā)揮所長、規(guī)避短板，跨部門、跨行業(yè)、跨領域聯(lián)動。

 

2018年，中科院批準依托大連化物所組織實施“潔凈能源關鍵技術與示范”戰(zhàn)略性先導科技專項，專項提出了以化石資源清潔高效利用與耦合替代、清潔能源多能互補與規(guī)模應用、低碳化多能戰(zhàn)略融合為三條主線的多能融合互補的清潔能源發(fā)展策略，以期實現(xiàn)化石能源、可再生能源、核能的融合發(fā)展，構建多能融合的新型能源體系，加快推進能源革命。

 

為更快更好驗證技術方案和示范，2019年12月9日，陜西省政府和中科院共創(chuàng)“榆林國家級能源革命創(chuàng)新示范區(qū)”，并在榆林建設了榆林中科潔凈能源創(chuàng)新研究院，積極支持中科院“行動計劃”和實施方案。

 

“榆林有中國‘科威特’之稱，甚至比它更有優(yōu)勢，這是因為這里匯集了煤、氣、油、鹽，以及風光電水等多種資源，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)行院長任曉光告訴《中國科學報》，榆林有產(chǎn)業(yè)轉型需求、有發(fā)展動力，我們與榆林一拍即合。

 

在榆林示范區(qū)，中科院將負責能源產(chǎn)業(yè)頂層設計和戰(zhàn)略規(guī)劃，提供技術和人才支持，陜西省及榆林市將整合財政資金、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開發(fā)、人才集聚培育、科技創(chuàng)新服務、優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)資本等于一體的能源革命創(chuàng)新示范區(qū)，為構建“清潔低碳、安全高效”的國家能源體系先行先試。

 

未來，不只是在陜西榆林，中科院在“行動計劃”整體布局下，發(fā)揮全院“一盤棋”，統(tǒng)籌資源和優(yōu)勢力量，以解決關鍵核心科技問題為抓手，促進構建綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系和清潔低碳、安全高效的能源體系，推進產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級，加快綠色低碳科技革命，積極支撐中國參與和引領全球氣候治理，為國家實現(xiàn)碳達峰碳中和戰(zhàn)略目標提供強有力的科技支撐。