中國科學(xué)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(shí)現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。工業(yè)領(lǐng)域的綠色低碳轉(zhuǎn)型，推動(dòng)了綠色技術(shù)的進(jìn)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(jī)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型和發(fā)展？這是中國科學(xué)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(lǐng)團(tuán)隊(duì)面向工業(yè)降碳減污的重大需求，重點(diǎn)在流程制造業(yè)開展科技創(chuàng)新與工程實(shí)踐，為行業(yè)提供了關(guān)鍵的核心技術(shù)和工程案例。

 

研發(fā)綠色發(fā)展技術(shù)

 

化工、鋼鐵、有色、醫(yī)藥、建材等流程制造業(yè)在國計(jì)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(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的難點(diǎn)在于多目標(biāo)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)。

 

“綠色發(fā)展要求企業(yè)降碳減污，但同時(shí)企業(yè)的生存需要盈利，這就要求二者兼顧，實(shí)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)盡量將這些組分濃縮成有價(jià)產(chǎn)品。

 

“據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dǎo)致的，而且分離過程的能耗在整個(gè)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(gè)元素的結(jié)構(gòu)性質(zhì)非常相近，深度分離起來是個(gè)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(gè)考驗(yàn)。經(jīng)過5年艱苦的基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了污染物近零排放，使總資源利用率提高30%以上。這項(xiàng)成果獲得2013年國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

 

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

 

解決企業(yè)實(shí)際問題

 

在20多年的科研生涯中，曹宏斌有兩個(gè)“戰(zhàn)場”——一個(gè)是實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)是工廠車間。

 

“實(shí)驗(yàn)室研究為新技術(shù)提供了技術(shù)指標(biāo)可達(dá)性的嘗試，而工廠車間現(xiàn)場研究則是在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步驗(yàn)證新技術(shù)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。”曹宏斌說。

 

這些年，曹宏斌常常奔走在解決企業(yè)實(shí)際問題的一線，與科研團(tuán)隊(duì)和企業(yè)技術(shù)人員一起想辦法、搞試驗(yàn)，確保工程不出差錯(cuò)。

 

在葫蘆島攻克釩鉻分離難題時(shí)，為了確保工程試驗(yàn)順利進(jìn)行，曹宏斌和團(tuán)隊(duì)成員24小時(shí)輪班“在線”。一旦現(xiàn)場出現(xiàn)問題，必須馬上解決，幾乎長時(shí)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(fēng)險(xiǎn)，我們做了中試，前6次全部失敗，直到第七次才試驗(yàn)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(tuán)隊(duì)的技術(shù)支持下陸續(xù)解決了污染處理問題。他認(rèn)為，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，廢氣、廢水與固廢通常是同時(shí)存在、直接相關(guān)。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(jī)制。

 

除此之外，曹宏斌團(tuán)隊(duì)還在鋰電池固廢處理技術(shù)上取得技術(shù)突破，形成了信息平臺搭建—有價(jià)組分高效分離―介質(zhì)循環(huán)與二次污染控制技術(shù)研發(fā)—集成與工程應(yīng)用優(yōu)化—行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(guān)鍵金屬等回收再利用，同時(shí)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(tuán)隊(duì)相關(guān)研究成果目前已服務(wù)國內(nèi)60%以上的產(chǎn)能。

 

實(shí)現(xiàn)治污系統(tǒng)優(yōu)化

 

獨(dú)立思考、勇于實(shí)踐、善于合作、快樂健康——這是曹宏斌對科研團(tuán)隊(duì)的希望。

 

“我所從事的研究領(lǐng)域?qū)儆诙鄬W(xué)科交叉，我一直提倡年輕科研人員相互學(xué)習(xí)，勇于探索未知領(lǐng)域，尋找新的方法和結(jié)論。”曹宏斌說，目前他的研究團(tuán)隊(duì)成員研究領(lǐng)域橫跨多個(gè)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(chǔ)研究的、做應(yīng)用的……每個(gè)人都要有綜合性的思考、做貫通式的研究，這是我對團(tuán)隊(duì)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(shí)踐，我國工業(yè)污染治理的技術(shù)水平已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)變，但在新污染物的高效控制技術(shù)、高精度單元模型構(gòu)建技術(shù)、高效反應(yīng)/分離新材料與藥劑等方面仍面臨著很多難題和考驗(yàn)。

 

“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(xué)反應(yīng)過程認(rèn)知不足，很難像對物理過程那樣精準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。”

 

曹宏斌介紹，團(tuán)隊(duì)數(shù)十年的科研與工業(yè)實(shí)踐以及人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，為探索新的工業(yè)降碳減污技術(shù)提供了基礎(chǔ)。他和團(tuán)隊(duì)下一步計(jì)劃重點(diǎn)開展機(jī)理——數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)強(qiáng)化工業(yè)減污降碳的理論、技術(shù)與應(yīng)用研究。

 

“工業(yè)降碳減污是一個(gè)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(shù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。”曹宏斌說。