“液態陽光” 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,實現碳的循環利用——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載攻克的液態太陽燃料合成技術,將這一夢想變為現實。
 
而隨著液態太陽燃料合成技術在蘭州新區成功完成工業化驗證,使早日實現“碳達峰、碳中和”有了一條全新路徑。
 
二氧化碳變廢為寶
 
車輛離開蘭州新區繁華的核心區,沿著筆直開闊的道路向西北方向行駛20余公里,便到了蘭州新區傾力打造的化工園區。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。
 
“這是液態太陽燃料合成示范項目的光伏發電部分,占地259畝,用來將太陽能轉化為電能。”蘭州新區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,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,就生產出了甲醇,也就是我們所說的‘液態陽光’。”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的高效催化劑。”李春新說,這一項目由光伏發電、電解水制氫、二氧化碳加氫等3個重要生產環節組成,其中,李燦院士團隊研發的催化劑在后面兩個環節發揮了關鍵作用。
 
催化劑是在化學反應中加入的一種特殊物質,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,而沒有實現大規?;I過程。而李燦院士團隊研發的高效催化劑,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,使工業化生產“液態陽光”變為了現實。
 
“通俗地講,液態太陽燃料合成示范項目就是利用太陽能、水和二氧化碳生產出甲醇的過程,它將無形的太陽能量轉移到了液態的甲醇當中,因此,以這種方式得到的甲醇被形象地稱為‘液態陽光’。”李春新進一步解釋說。
 
蘭州新區化工園區總顧問、蘭州大學化學系教授張有賢認為,“液態陽光”合成技術是一項革命性的技術,其重大現實意義在于將二氧化碳變為重要的生產原料,劃時代地解決了工業二氧化碳尾氣的利用問題。
 
“工業生產過程中,二氧化碳之所以被大量排放,是因為它無法被大量利用,產生不了價值。而在‘液態陽光’的生產中,二氧化碳變成了重要原料,有了利用的價值。”張有賢說,液態太陽燃料合成示范項目不僅將太陽的能量轉移到了液態的甲醇中,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舉。
 
催化技術重大創新
 
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,不遠處就是大連著名的星海廣場和星海公園,依山而建、環境優美。
 
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環節效率。
 
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:傳統電解水制氫能耗大,生產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的先進電催化劑后,單位時間內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了不起了,現在我們可以出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。
 
傳統制氫,每產生1立方米氫氣大概需要耗5度以上的電能,但蘭州新區液態太陽燃料合成示范項目把生產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,工業生產必須要考慮效率和成本,否則沒有企業愿意干。
 
前沿技術的探索之路往往充滿著艱辛。
 
“液態陽光”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。”李燦院士說。
 
與實驗室環境不同,工業合成“液態陽光”必須要充分考慮到雜質、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,工業二氧化碳含有大量雜質,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生大量的水,又給我們帶來新的問題、新的挑戰。”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“液態陽光”示范項目通過了中國石油和化學工業聯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權,整體技術處于國際領先。
 
而“液態陽光”項目運行數據也顯示,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“液態陽光”這一科技成果已經具備工業化生產條件。
 
蘭州新區“液態陽光”示范項目為下一步建設10萬噸級、百萬噸級的“液態陽光”生產線打下了基礎。
 
“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液態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。
 
“電是通過光伏發電得到的,水是普通的工業用水,二氧化碳是從合成氨工廠尾氣中捕獲的,完全實現了綠色生產。”李燦院士團隊的王集杰博士見證了這歷史性的一刻。
 
化學品的工業化生產存在著放大效應,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,才有了進行工業試驗的基礎。”王集杰說。
 
從試驗室中的瓶瓶罐罐,到完成工業中試,是“液態陽光”合成技術的一次大跨越。
 
蘭州新區液態太陽燃料合成示范項目可年產甲醇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,達到了項目的工業化示范作用。
 
“現在的任務是進行推廣應用,建設10萬噸級甚至規模更大的項目。”王集杰說。
 
新技術能否被推廣,還要算經濟賬。
 
蘭州新區液態太陽燃料合成示范項目有關負責人、蘭州新區石投集團有限公司總經理姜錦算過一筆賬,在這一項目中,每噸甲醇的生產成本為3000元。而以傳統的煤化工方式生產,每噸甲醇的成本約為2000元。
 
3000元與2000元,貌似“液態陽光”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,傳統二氧化碳排放企業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‘液態陽光’成本大幅降低。”姜錦說。
 
在合成“液態陽光”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,現在有些地方光伏發電成本已經大幅下降。”對“液態陽光”合成技術的推廣前景,姜錦充滿信心。
 
在液態太陽燃料合成示范項目中,之所以將甲醇稱為“液態陽光”,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,一個重要原因就是當地海拔高,太陽能資源豐富。
 
“當然,這也同蘭州新區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,蘭州新區液態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。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,能夠生產出35億噸甲醇,社會效應無法估量。
 
王集杰說,目前工業捕集二氧化碳技術已經相對成熟,未來,人們還可以對輪船等排放的二氧化碳進行捕集利用。
 
“液態陽光”合成技術在蘭州新區完成工業化驗證后,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,液態太陽燃料合成項目榮獲技術發明獎一等獎。
 
“已經有多家企業來對接合作,有的已經進入合同起草階段,很快就有10萬噸級以上的液態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,實現碳的資源化循環利用,這一天很快就會到來。

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