一場科技與“雙碳”的雙向奔赴

最近，中國科學(xué)院大連化學(xué)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(guān)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(fēng)險很大，但我們有信心、有動力，因為大連化物所科學(xué)家們的研究值得充分信任，技術(shù)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(xué)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(shè)計，發(fā)揮多學(xué)科建制化優(yōu)勢，啟動實施了“中國科學(xué)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(xué)基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)解決方案。

 

在陜西榆林，來自大連化物所的技術(shù)與示范得到了驗證。

 

應(yīng)用：工程轉(zhuǎn)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(guān)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(xué)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(shù)這條“賽道”上聚集了全球諸多國家的競爭者，但由于技術(shù)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(lǐng)團隊開啟了煤制乙醇關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，把剛回國并入職大連化物所的朱文良拉入隊伍作為負責(zé)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(xí)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(xué)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(fù)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(shù)的工業(yè)化奠定了堅實 的基礎(chǔ)。

 

“我們的最終目標是應(yīng)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(quán)技術(shù)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(fēng)風(fēng)火火”的日子，劉中民坦承，速度非常快！基于扎實的基礎(chǔ)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(yīng)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(shè)計團隊，以及企業(yè)之間多方的協(xié)作支持，總結(jié)經(jīng)驗、規(guī)避風(fēng)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(shù)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(shù)的許可合同累計產(chǎn)能預(yù)計可達400萬噸/年，預(yù)計產(chǎn)值達250億元。

 

此外，劉中民團隊另一項應(yīng)用研究——以煤炭為原料的甲醇制烯烴系列技術(shù)已經(jīng)簽訂了31套裝置的技術(shù)實施許可合同，包含出口1套，烯烴產(chǎn)能達2025萬噸/年，預(yù)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(shù)，是劉中民基于我國能源現(xiàn)狀所開發(fā)技術(shù)。

 

“實現(xiàn)碳中和需要低碳化轉(zhuǎn)型，這是相對長期的過程。”劉中民說，當(dāng)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(shù)是助推煤化工產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、保障能源安全、實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑。

 

基礎(chǔ)：突破難題創(chuàng)新引領(lǐng)

 

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(zhuǎn)化制低碳烯烴”技術(shù)，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(guān)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(zhuǎn)化制低碳烯烴”技術(shù)是我國完全自主從原創(chuàng)基礎(chǔ)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(zhuǎn)化制烯烴的構(gòu)想。這是一個讓人激動萬分的科學(xué)構(gòu)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(shè)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(jié)果總是達不到預(yù)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(jié)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(fù)問自己。他們決定重新上陣，這次他們另辟蹊徑，轉(zhuǎn)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(yīng)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(fù)合的雙功能催化劑體系。

 

經(jīng)過反復(fù)實驗不斷優(yōu)化，預(yù)期實現(xiàn)，結(jié)果令人振奮！2016年3月4日，美國《科學(xué)》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(zhuǎn)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(zhuǎn)化制烯烴的新途徑，將對更好地服務(wù)國家能源安全和經(jīng)濟社會建設(shè)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(guān)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?qū)?，不怕路途遠，只要堅持，再冷的板凳也能給坐熱。”

 

基礎(chǔ)研究取得突破后，包信和和潘秀蓮領(lǐng)導(dǎo)的基礎(chǔ)研究團隊和劉中民院士領(lǐng)導(dǎo)的應(yīng)用研究團隊合作，組建技術(shù)攻關(guān)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(yīng)用開發(fā)。合成氣制烯烴千噸級工業(yè)試驗裝置建設(shè)時，包信和提出了“科教報國、創(chuàng)新引領(lǐng)、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(shè)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(shè)計，全力推進工程化轉(zhuǎn)化和工業(yè)示范，力爭早日實現(xiàn)技術(shù)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(zhuǎn)化還是基礎(chǔ)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(lǐng)域，接續(xù)前行、賡續(xù)奮斗，站在突破關(guān)鍵核心技術(shù)和工程建設(shè)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(shù)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(shè)計，發(fā)揮科技創(chuàng)新的引領(lǐng)作用，找到未來合理的雙碳發(fā)展路徑，這是當(dāng)務(wù)之急。”在劉中民看來，實現(xiàn)“雙碳”目標是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不只需要發(fā)展單項技術(shù)，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(lǐng)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(guān)鍵技術(shù)與示范”戰(zhàn)略性先導(dǎo)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(yīng)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(gòu)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(shù)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(shè)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(fēng)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(xué)報》，榆林有產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)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(zé)能源產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計和戰(zhàn)略規(guī)劃，提供技術(shù)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(shù)開發(fā)、人才集聚培育、科技創(chuàng)新服務(wù)、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(gòu)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(guān)鍵核心科技問題為抓手，促進構(gòu)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(lǐng)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。