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(shí)現(xiàn)碳的循環(huán)利用——甘肅籍中國科學(xué)院院士、中科院大連化學(xué)物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師李燦及其團(tuán)隊(duì)，歷時(shí)20載攻克的液態(tài)太陽燃料合成技術(shù)，將這一夢想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
而隨著液態(tài)太陽燃料合成技術(shù)在蘭州新區(qū)成功完成工業(yè)化驗(yàn)證，使早日實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)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(qū)繁華的核心區(qū)，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(qū)傾力打造的化工園區(qū)。道路一側(cè)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(tài)太陽燃料合成示范項(xiàng)目的光伏發(fā)電部分，占地259畝，用來將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。”蘭州新區(qū)石投集團(tuán)高級技術(shù)主管李春新介紹說。
距離山丘不遠(yuǎn)，就是項(xiàng)目的主廠區(qū)，里面矗立著項(xiàng)目的核心設(shè)備——各種各樣的裝置、在空中穿梭交織的管道、高聳的反應(yīng)塔，顯示出十足的科技范兒。
“用山丘上光伏板發(fā)的電，將水電解為氫氣和氧氣，再讓氫氣和二氧化碳反應(yīng)，就生產(chǎn)出了甲醇，也就是我們所說的‘液態(tài)陽光’。”李春新盡量用最簡要的語言道明了項(xiàng)目的原理。
甲醇，可作為燃料替代石油，同時(shí)也是一種重要的化學(xué)中間體，在化工領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。
電解水制氫，氫再與二氧化碳反應(yīng)制甲醇，在實(shí)驗(yàn)室早就在研究，液態(tài)太陽燃料合成示范項(xiàng)目有何特別之處？
“關(guān)鍵在于合成過程中使用了李燦院士團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的高效催化劑。”李春新說，這一項(xiàng)目由光伏發(fā)電、電解水制氫、二氧化碳加氫等3個(gè)重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)組成，其中，李燦院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)的催化劑在后面兩個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
催化劑是在化學(xué)反應(yīng)中加入的一種特殊物質(zhì)，其本身不會參與反應(yīng)，卻可以加快化學(xué)反應(yīng)的速度，全面提升效率。
實(shí)驗(yàn)室里，通過電解水得到氫氣，再讓二氧化碳與氫氣反應(yīng)生成甲醇的過程復(fù)雜漫長，且條件也相對苛刻，而沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模化工業(yè)過程。而李燦院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高效催化劑，則極大加快了電解水和二氧化碳加氫的進(jìn)程，解決了關(guān)鍵技術(shù)難題，使工業(yè)化生產(chǎn)“液態(tài)陽光”變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。
“通俗地講，液態(tài)太陽燃料合成示范項(xiàng)目就是利用太陽能、水和二氧化碳生產(chǎn)出甲醇的過程，它將無形的太陽能量轉(zhuǎn)移到了液態(tài)的甲醇當(dāng)中，因此，以這種方式得到的甲醇被形象地稱為‘液態(tài)陽光’。”李春新進(jìn)一步解釋說。
蘭州新區(qū)化工園區(qū)總顧問、蘭州大學(xué)化學(xué)系教授張有賢認(rèn)為，“液態(tài)陽光”合成技術(shù)是一項(xiàng)革命性的技術(shù)，其重大現(xiàn)實(shí)意義在于將二氧化碳變?yōu)橹匾纳a(chǎn)原料，劃時(shí)代地解決了工業(yè)二氧化碳尾氣的利用問題。
“工業(yè)生產(chǎn)過程中，二氧化碳之所以被大量排放，是因?yàn)樗鼰o法被大量利用，產(chǎn)生不了價(jià)值。而在‘液態(tài)陽光’的生產(chǎn)中，二氧化碳變成了重要原料，有了利用的價(jià)值。”張有賢說，液態(tài)太陽燃料合成示范項(xiàng)目不僅將太陽的能量轉(zhuǎn)移到了液態(tài)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(chuàng)舉。
催化技術(shù)重大創(chuàng)新
中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所位于遼寧省大連市沙河口區(qū)，不遠(yuǎn)處就是大連著名的星海廣場和星海公園，依山而建、環(huán)境優(yōu)美。
大連化物所是一座以基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究見長的綜合性研究所，催化化學(xué)是其重要的研究領(lǐng)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(lǐng)域高峰努力攀登。“液態(tài)陽光”則是李燦和他的團(tuán)隊(duì)在催化劑研究上又一次重大突破。
“‘液態(tài)陽光’合成成功，實(shí)際上就是催化技術(shù)的成功。”近期，記者專程前往大連化物所，對李燦院士進(jìn)行了專訪。李燦介紹說，“液態(tài)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(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)效率。
也就是說，李燦團(tuán)隊(duì)分別攻克了兩大催化技術(shù)。
以電解水制氫為例：傳統(tǒng)電解水制氫能耗大，生產(chǎn)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(tuán)隊(duì)研發(fā)的先進(jìn)電催化劑后，單位時(shí)間內(nèi)電解的氫氣量大幅增加。
“以前，一小時(shí)能夠出幾百立方米氫氣就已經(jīng)了不起了，現(xiàn)在我們可以出1000立方米以上，這是一個(gè)很大的進(jìn)步。”李燦說。
制氫速度提升的同時(shí)，還有成本的下降。
傳統(tǒng)制氫，每產(chǎn)生1立方米氫氣大概需要耗5度以上的電能，但蘭州新區(qū)液態(tài)太陽燃料合成示范項(xiàng)目把生產(chǎn)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(gè)量大得不得了。”李燦說，工業(yè)生產(chǎn)必須要考慮效率和成本，否則沒有企業(yè)愿意干。
前沿技術(shù)的探索之路往往充滿著艱辛。
“液態(tài)陽光”的成功，研制出具有很強(qiáng)靶向性的催化劑是關(guān)鍵。一次次試驗(yàn)、一次次失敗，李燦院士團(tuán)隊(duì)沒有放棄。
“加入催化劑后，要讓氫氣和二氧化碳反應(yīng)后生成甲醇，而不是甲烷之類的其他物質(zhì)。”李燦院士說。
與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境不同，工業(yè)合成“液態(tài)陽光”必須要充分考慮到雜質(zhì)、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(jié)。同時(shí)，工業(yè)二氧化碳含有大量雜質(zhì)，有毒化作用，這又需要催化劑要特別“皮實(shí)”，既要在溫度高的時(shí)候不怕燒結(jié)，又要同時(shí)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(shí)候，水對催化劑的破壞很嚴(yán)重，而二氧化碳加氫過程中會產(chǎn)生大量的水，又給我們帶來新的問題、新的挑戰(zhàn)。”李燦說。
通過許多次攻關(guān)，一系列問題最終逐一得到解決。
2020年10月15日，蘭州新區(qū)“液態(tài)陽光”示范項(xiàng)目通過了中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的科技成果鑒定。來自全國各地的權(quán)威
專家一致認(rèn)為：這一項(xiàng)目具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，整體技術(shù)處于國際領(lǐng)先。
而“液態(tài)陽光”項(xiàng)目運(yùn)行數(shù)據(jù)也顯示，項(xiàng)目運(yùn)行1000小時(shí)的時(shí)候，催化劑依然沒有明顯失活，抗中毒和抗燒結(jié)良好，達(dá)到了推廣條件。這意味著“液態(tài)陽光”這一科技成果已經(jīng)具備工業(yè)化生產(chǎn)條件。
蘭州新區(qū)“液態(tài)陽光”示范項(xiàng)目為下一步建設(shè)10萬噸級、百萬噸級的“液態(tài)陽光”生產(chǎn)線打下了基礎(chǔ)。
“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(fēng)能、水能等
綠色能源發(fā)電，與水和二氧化碳合成出清潔的甲醇。”李燦說。
技術(shù)應(yīng)用前景廣闊
2020年1月17日，注定是一個(gè)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(qū)液態(tài)太陽燃料合成示范項(xiàng)目成功投運(yùn)，呈液體狀的粗甲醇第一次從設(shè)備終端的管道中流出。
“電是通過光伏發(fā)電得到的，水是普通的工業(yè)用水，二氧化碳是從合成氨工廠尾氣中捕獲的，完全實(shí)現(xiàn)了綠色生產(chǎn)。”李燦院士團(tuán)隊(duì)的王集杰博士見證了這歷史性的一刻。
化學(xué)品的工業(yè)化生產(chǎn)存在著放大效應(yīng)，在相同的操作條件下，利用小型設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室得出的研究結(jié)果，往往與大型生產(chǎn)裝置得出的結(jié)果有很大差別。
“在實(shí)驗(yàn)室里，最初放入反應(yīng)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(jié)果，成功了，才有了進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)。”王集杰說。
從試驗(yàn)室中的瓶瓶罐罐，到完成工業(yè)中試，是“液態(tài)陽光”合成技術(shù)的一次大跨越。
蘭州新區(qū)液態(tài)太陽燃料合成示范項(xiàng)目可年產(chǎn)甲醇1000噸，反應(yīng)器中投入的催化劑達(dá)到了1.6噸，是原始試驗(yàn)的160萬倍，達(dá)到了項(xiàng)目的工業(yè)化示范作用。
“現(xiàn)在的任務(wù)是進(jìn)行推廣應(yīng)用，建設(shè)10萬噸級甚至規(guī)模更大的項(xiàng)目。”王集杰說。
新技術(shù)能否被推廣，還要算經(jīng)濟(jì)賬。
蘭州新區(qū)液態(tài)太陽燃料合成示范項(xiàng)目有關(guān)負(fù)責(zé)人、蘭州新區(qū)石投集團(tuán)有限公司總經(jīng)理姜錦算過一筆賬，在這一項(xiàng)目中，每噸甲醇的生產(chǎn)成本為3000元。而以傳統(tǒng)的煤化工方式生產(chǎn)，每噸甲醇的成本約為2000元。
3000元與2000元，貌似“液態(tài)陽光”合成技術(shù)缺乏競爭力。
“項(xiàng)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(dá)峰’‘碳中和’目標(biāo)的提出，傳統(tǒng)二氧化
碳排放企業(yè)面臨巨大的減排壓力，我們項(xiàng)目很有可能‘零成本’甚至負(fù)成本獲得二氧化碳，從而使‘液態(tài)陽光’成本大幅降低。”姜錦說。
在合成“液態(tài)陽光”過程中，除了二氧化碳，電價(jià)也對成本有著重要的影響。另一個(gè)好消息是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，光伏發(fā)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(jià)格計(jì)算的，現(xiàn)在有些地方光伏發(fā)電成本已經(jīng)大幅下降。”對“液態(tài)陽光”合成技術(shù)的推廣前景，姜錦充滿信心。
在液態(tài)太陽燃料合成示范項(xiàng)目中，之所以將甲醇稱為“液態(tài)陽光”，是因?yàn)樘柕哪芰勘灰徊讲睫D(zhuǎn)移到了甲醇中。項(xiàng)目落戶蘭州新區(qū)，一個(gè)重要原因就是當(dāng)?shù)睾０胃?，太陽能資源豐富。
“當(dāng)然，這也同蘭州新區(qū)對高科技成果應(yīng)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(yùn)行，僅僅用了1年多的時(shí)間，蘭州新區(qū)從土地、資金等多個(gè)方面給予了大力支持。”姜錦說。
在王集杰看來，蘭州新區(qū)液態(tài)太陽燃料合成示范項(xiàng)目的影響將會非常深遠(yuǎn)。
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(yè)。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(chǎn)出比例，就等于全國每年在減排50億噸二氧化碳的同時(shí)，能夠生產(chǎn)出35億噸甲醇，社會效應(yīng)無法估量。
王集杰說，目前工業(yè)捕集二氧化碳技術(shù)已經(jīng)相對成熟，未來，人們還可以對輪船等排放的二氧化碳進(jìn)行捕集利用。
“液態(tài)陽光”合成技術(shù)在蘭州新區(qū)完成工業(yè)化驗(yàn)證后，引起社會廣泛關(guān)注。
在中國可再生能源學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎評審中，液態(tài)太陽燃料合成項(xiàng)目榮獲技術(shù)發(fā)明獎一等獎。
“已經(jīng)有多家企業(yè)來對接合作，有的已經(jīng)進(jìn)入合同起草階段，很快就有10萬噸級以上的液態(tài)陽光甲醇合成項(xiàng)目啟動建設(shè)。”王集杰說。
太陽能為動力，將二氧化碳變廢為寶，實(shí)現(xiàn)碳的資源化循環(huán)利用，這一天很快就會到來。
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