“雙碳”大考：下好科技“先手棋”

文章來源:中國科學報馮麗妃2022-03-09 09:03

“有序推進碳達峰碳中和工作。落實碳達峰行動方案。”2022年政府工作報告再次吹響向“雙碳”目標邁進的號角。

這一目標的實現(xiàn)離不開科技支撐。作為國家戰(zhàn)略科技力量，中國科學院近日公布科技支撐“雙碳”戰(zhàn)略行動計劃，眾多關鍵核心技術出現(xiàn)在其中。

作為國家戰(zhàn)略科技力量的主力軍，中科院有哪些現(xiàn)成的“雙碳”技術寶藏可挖呢？兩會期間，《中國科學報》分別連線了中科院位于西北、中部和東部地區(qū)研究所的三位院士，了解他們圍繞“碳”字正在開展的工作。

周衛(wèi)健·研究所坐標西安

固廢“吃干榨凈” 支撐循環(huán)經(jīng)濟

“實現(xiàn)碳達峰碳中和的進程中，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟十分重要。其中，固體廢物污染治理是一個重點方向。”兩會期間，全國人大代表、中科院地球環(huán)境研究所研究員周衛(wèi)健院士對《中國科學報》說。

尾礦治理是我國礦山資源開發(fā)中一塊“難啃的骨頭”。周衛(wèi)健介紹，由于我國大多數(shù)礦山礦石品位低、組分復雜，加之生產(chǎn)技術落后，開采出的礦石80%以上都變成了尾礦，年均碳排放量14億噸，固體廢物累積堆存量高達200多億噸。同時，尾礦資源綜合回收率只有約30%，綜合利用率不到20%，且空場充填占利用總量的53%，其資源化高附加值利用量微乎其微。

事實上，礦業(yè)固廢中氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀等主量元素占比高達90%以上。“解決了主量元素分離提取利用問題，就相當于90%以上的固廢實現(xiàn)了無害化、減量化和資源化。”周衛(wèi)健說。

基于長期的基礎研究，她和團隊將地球化學和冶金學交叉融合，提出可實現(xiàn)“取沙留金”的新理念并開發(fā)出一種催化劑，可分離尾礦的主量元素和微量元素，有助實現(xiàn)礦山固廢的全量資源化。

去年，研究團隊把相關技術帶到企業(yè)，用爐渣（水淬渣）進行了一個多月的“拉練”。他們發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)試驗中使用新型催化劑，在僅需250℃（相當于礦石冶煉1/5的溫度）的情況下，就能把固廢全部分離提取為有價值的產(chǎn)品，資源再利用率達到90%以上。這種方式不僅可以把尾礦“吃干榨凈”，還可以覆蓋資源回收轉(zhuǎn)化成本，每噸凈賺450元。

尾礦所得的主要產(chǎn)品如硅膠、水玻璃、保水劑、凈水劑等，不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍工和日常生活領域應用廣泛，更是能源、煤化工、石油化工、有色冶金等各類工業(yè)基地污水治理、凈化的主要原料，也是大范圍實現(xiàn)水土保持、固沙固土和生態(tài)恢復治理的有用產(chǎn)品。

下一步，周衛(wèi)健希望把相關技術應用到陜西白河縣硫鐵礦廢棄礦渣綜合利用中。該礦區(qū)屬于歷史遺留廢棄礦山，污染礦區(qū)點多面廣，對漢江水源造成污染，引起國家相關部門的重視。

同時，周衛(wèi)健表示，當前礦山廢棄物全量資源化的治理仍然存在一些難題。由于相關治理技術開發(fā)難度大、費用高，前期只有投入沒有產(chǎn)出，導致企業(yè)參與的積極性不高，許多關停的礦區(qū)更是無力處理固廢尾礦。

對此，她建議，加大政策支持與資金投入力度，促進新技術開發(fā)；設立固廢全量資源化技術試點基地，擴大推廣速度；引入社會資本，建立多元化投入渠道；采取“誰投資誰受益”的原則，通過稅收優(yōu)惠等政策措施，鼓勵民營資本進入相關試點領域。

李燦·研究所坐標大連

開發(fā)“液態(tài)陽光” 助力能源自立

“液態(tài)陽光儲能方法應用起來成本是不是偏高？”

這可能是全國政協(xié)委員、中科院大連化學物理研究所研究員李燦院士聽到最多的問題，每一次他都會耐心地解釋。

“現(xiàn)在液態(tài)陽光的成本已經(jīng)處在與其他能源日趨接近的交叉點上了。隨著相關技術的日趨成熟和可再生能源占比的提高，它的價格還會一路往下走，最終一定會贏。”李燦告訴《中國科學報》，液態(tài)陽光最大的一個特點就是“道法自然”，不受制于外界資源因素。

他解釋說，液態(tài)陽光本質(zhì)上是用甲醇的形式實現(xiàn)太陽能的儲存、運輸和利用。實現(xiàn)液態(tài)陽光分為兩個步驟：由太陽能等清潔能源分解水制作“綠氫”；再由綠氫和二氧化碳反應，生成甲醇或其他燃料和化學品。這一循環(huán)在實現(xiàn)減碳的同時，還具有消納剩余新能源的作用。

李燦和團隊發(fā)展了高活性的固溶體催化劑，可以高效生成甲醇。目前已在甘肅蘭州建成了全球首套千噸級液態(tài)陽光合成的規(guī)?；痉豆こ蹋陂_展十萬噸級的液態(tài)陽光工業(yè)化。

在他看來，液態(tài)陽光可能孕育了一場重大的能源革命，它能替代化石能源，最大程度減少碳排放，幫助人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。他給記者算了一筆賬：“一噸甲醇相當于消納6000多度電，一個規(guī)模為100萬噸甲醇級別的中型企業(yè)就能消納60億度電，儲能潛力巨大。”

同時，與業(yè)界看重的氫能相比，液態(tài)陽光具有運輸安全、經(jīng)濟等特點，而且其應用面非常廣，當前發(fā)展如火如荼的新能源車就是應用目標之一。“綠色甲醇就像汽油一樣可以用于汽車的內(nèi)燃機燃燒，但它排放的是水和氫，非常環(huán)保。”李燦表示，相關技術已經(jīng)十分成熟。

在工信部發(fā)布的《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》中，甲醇汽車已被納入綠色產(chǎn)品，該規(guī)劃還提出要促進甲醇汽車等替代燃料汽車推廣。“從戰(zhàn)略資源角度考慮，假如所有的汽油都用甲醇來代替，我國石油進口的問題就能大大減少，國家能源安全就沒有那么大的風險。”李燦說，而如果采用甲醇作為燃料，新能源汽車發(fā)展也將無懼鋰資源的制約。

目前工業(yè)領域甲醇產(chǎn)能每年約9000萬噸，如果用液態(tài)陽光甲醇來代替，就可以減少二氧化碳排放1.2億噸以上。李燦表示，十萬、數(shù)十萬噸綠色甲醇制造已經(jīng)起步。“樂觀預測，2030年其減碳貢獻份額將進一步增大。”他說。

韓布興·研究所坐標北京

廣泛布局多點開花碳資源華麗變身

二氧化碳、生物質(zhì)、廢舊塑料轉(zhuǎn)化、廚余垃圾資源化利用……近些年，相關研究是中科院化學研究所研究員韓布興院士及其團隊的研究重心。

按他的話說，這些方向看似五花八門，但同屬綠色化學范疇，都與一個“碳”字相關。“化學是一門創(chuàng)造物質(zhì)的科學。這些研究的本質(zhì)都是如何將含碳物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化利用的問題。”他對《中國科學報》說。

“無中生有”，將全球主要溫室氣體二氧化碳固定在一種可利用的產(chǎn)品中是當前國際研究熱點。用二氧化碳制備一氧化碳、甲醇、乙醇、烯烴、烷烴、羧酸……韓布興的實驗室正在拓展二氧化碳“變身”各種重要化學品和燃料的新路線。

以二氧化碳加氫制乙醇和液態(tài)烴為例，韓布興表示，這種液體燃料與氫能相比，無論運輸、儲藏還是使用都更具安全性。針對二氧化碳轉(zhuǎn)化利用過程中涉及到的熱力學和動力學問題，他和團隊還把物理化學和綠色化學研究相結(jié)合，設計了多種高效催化材料和綠色溶劑，提高轉(zhuǎn)化速率。

“現(xiàn)在化石資源的利用導致全球每年排放約350億噸二氧化碳，而全球二氧化碳資源化利用剛超過1億噸。下一步往前推，難度挺大。”韓布興表示，只有把相關研究產(chǎn)業(yè)化的面拓寬，未來二氧化碳利用量才會更大。

這正是他在不同方向廣泛布局的一個原因。在碳中和的一個重要方向——生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用方面，該團隊也“多面開花”，如生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成苯（基本化工原料）、苯酚（樹脂、殺菌劑、防腐劑以及藥物的重要原料）、環(huán)己酮（可溶解硝酸纖維素、涂料、油漆等）、生物質(zhì)炭等。

韓布興團隊正在與河北唐山一家公司合作，利用秸稈、林業(yè)廢棄物等制作生物質(zhì)炭。據(jù)介紹，生物質(zhì)熱解后的主要產(chǎn)物是固體的生物質(zhì)炭、有機物液體和可燃氣體，整個過程沒有污染。加工而成的生物質(zhì)炭以一定比例與煤炭混合使用，可以使煤炭充分燃燒，減少污染。

“現(xiàn)在（生物質(zhì)炭）主要用于民用和中小型鍋爐，未來將力爭推廣到鋼鐵和火電等行業(yè)，這樣可大幅提高生物質(zhì)用量，降低污染。”韓布興說。

不僅如此，針對國內(nèi)大量廢舊塑料帶來的環(huán)境污染和資源浪費問題，該團隊與企業(yè)合作讓廢舊塑料轉(zhuǎn)變?yōu)橛?。針對棘手的餐廚垃圾問題，該團隊正在和企業(yè)合作將其變成有機肥等。此外，他們還開發(fā)一系列綠色溶劑，替代現(xiàn)有碳資源轉(zhuǎn)化中使用的揮發(fā)性溶劑，提高反應效率和清潔度。

“作為‘國家隊’‘國家人’，必須心系‘國家事’、肩扛‘國家責’。最近中科院提出的科技支撐‘雙碳’戰(zhàn)略行動計劃非常好。”韓布興說，“雙碳”目標的實現(xiàn)是一個系統(tǒng)工程，需要能源革命、產(chǎn)業(yè)結(jié)構調(diào)整、人類生產(chǎn)生活方式的變革?？茖W技術的重大進步是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要保障，需要“實實在在的努力”。