50萬噸/年煤基乙醇工業(yè)裝置 王曉亮攝
最近，中科院大連化學(xué)物理研究所（以下簡(jiǎn)稱大連化物所）所長劉中民院士團(tuán)隊(duì)頻繁往返大連與陜西榆林之間，因?yàn)樵诩磳⒌絹淼?月，由劉中民團(tuán)隊(duì)歷時(shí)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(xiàng)目，標(biāo)志著乙醇生產(chǎn)邁入大規(guī)模工業(yè)化時(shí)代，對(duì)保障我國能源安全、糧食安全及實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要戰(zhàn)略意義。
“這一項(xiàng)目直接從10萬噸/年的規(guī)?？缭降?0萬噸/年的規(guī)模，做這一決定時(shí)很多人認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)很大，但我們有信心、有動(dòng)力，因?yàn)榇筮B化物所科學(xué)家的研究值得信任。技術(shù)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)展迫切需要的?！标兾餮娱L石油（集團(tuán)）（以下簡(jiǎn)稱延長石油集團(tuán)）科技部部長王軍峰告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，是中國向世界作出的莊嚴(yán)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(jì)，發(fā)揮多學(xué)科建制化優(yōu)勢(shì)，啟動(dòng)實(shí)施了“中國科學(xué)院科技支撐碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃”（以下簡(jiǎn)稱行動(dòng)計(jì)劃），為實(shí)現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)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，大連化物所的技術(shù)與示范得到了驗(yàn)證。
應(yīng)用：工程轉(zhuǎn)化為國為民
走進(jìn)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屹立。
乙醇是世界上公認(rèn)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。我國曾希望在全國范圍內(nèi)推廣使用乙醇汽油，卻沒能實(shí)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(bào)》，過去乙醇主要生產(chǎn)原料為糧食和糖類作物，“這就會(huì)造成與人爭(zhēng)糧、與糧爭(zhēng)地的問題，而糧食安全是國家頭等大事、不可動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)者，但由于技術(shù)難度大、經(jīng)濟(jì)性不高，始終處在開發(fā)階段，未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。2010年10月，劉中民帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(duì)伍作為負(fù)責(zé)人。
競(jìng)爭(zhēng)、賽跑，暗潮涌動(dòng)下團(tuán)隊(duì)每個(gè)人都背負(fù)了不小的壓力。
朱文良習(xí)慣把團(tuán)隊(duì)4位成員稱為“兄弟”?！罢f實(shí)話，做得很辛苦，最后取得突破確實(shí)離不開兄弟們的共同努力?！敝煳牧几嬖V《中國科學(xué)報(bào)》，將近兩年的時(shí)間里，他們沒有放過假，即使周末也會(huì)到實(shí)驗(yàn)室。由于始終沒有取得突破，他們也曾氣餒過。
經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
“我們的最終目標(biāo)是應(yīng)用，若用不上，對(duì)社會(huì)的實(shí)際貢獻(xiàn)是虛的?！眲⒅忻裾f。團(tuán)隊(duì)來不及慶祝，馬不停蹄地投入到工業(yè)放大研究中。
團(tuán)隊(duì)與延長石油集團(tuán)合作，2013年，完成實(shí)驗(yàn)室中試研究；2017年，具有我國自主知識(shí)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(xiàng)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(shí)的基礎(chǔ)研究和豐富的工業(yè)化經(jīng)驗(yàn)，他們說服企業(yè)，從實(shí)驗(yàn)室中試研究的100克催化劑規(guī)模，直接放大到單個(gè)反應(yīng)器裝填30噸催化劑的10萬噸/年的工業(yè)示范裝置上。而常規(guī)的工業(yè)化過程中間至少還需要催化劑噸級(jí)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(tuán)隊(duì)、工程和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，以及企業(yè)之間多方的協(xié)作支持，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，才使得大家對(duì)50萬噸/年乙醇項(xiàng)目成功更有信心。
如今，劉中民“科技為國為民”的夢(mèng)想正在實(shí)現(xiàn)。截至目前，煤基乙醇技術(shù)許可合同10項(xiàng)，累計(jì)產(chǎn)能達(dá)295萬噸/年?！笆奈濉逼陂g，乙醇技術(shù)的許可合同累計(jì)產(chǎn)能預(yù)計(jì)可達(dá)400萬噸/年，預(yù)計(jì)產(chǎn)值達(dá)250億元。
此外，劉中民團(tuán)隊(duì)另一項(xiàng)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(shí)施許可合同，包含出口1套，烯烴產(chǎn)能達(dá)2025萬噸/年，預(yù)計(jì)拉動(dòng)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)的技術(shù)。
“實(shí)現(xiàn)碳中和需要低碳化轉(zhuǎn)型，這是相對(duì)長期的過程。”劉中民說，當(dāng)前，我們依然處在化石能源社會(huì)，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(jí)、保障能源安全、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)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，一輪皎月懸掛天空，將工業(yè)園區(qū)照得通明。
王軍峰一直記得這個(gè)日子，那是基于大連化物所包信和院士和潘秀蓮研究員團(tuán)隊(duì)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(jí)全流程工業(yè)試驗(yàn)裝置投料試車的關(guān)鍵期。
“那天晚上，包老師就吃了個(gè)饅頭，他和潘老師認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)匕芽刂總€(gè)細(xì)節(jié)，和開車團(tuán)隊(duì)一起值守到深夜?！蓖踯姺逯钢謾C(jī)上照片拍攝時(shí)間告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“1點(diǎn)56分。”
“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(shí)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(tuán)隊(duì)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(gè)讓人激動(dòng)萬分的科學(xué)構(gòu)想，如果能實(shí)現(xiàn)，將給傳統(tǒng)工藝路線帶來顛覆性變革，對(duì)我國能源安全具有深遠(yuǎn)意義。
然而前行道路充滿挑戰(zhàn)和艱辛。起初，他們從催化劑的基本原理入手，設(shè)計(jì)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(biāo)產(chǎn)物。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果總是達(dá)不到預(yù)期效果，一次次失敗，一次次優(yōu)化改進(jìn)，兩屆博士生都未能做出理想結(jié)果。
“明明原理上可行，為什么就行不通呢？”潘秀蓮和團(tuán)隊(duì)成員反復(fù)問自己。他們決定另辟蹊徑——將金屬氧化物活性中心與分子篩分開，讓它們各司其職，把控制反應(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，從而形成一種復(fù)合的雙功能催化劑體系。
經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，結(jié)果令人振奮。2016年3月4日，《科學(xué)》刊登了該研究成果，并同期刊發(fā)了以“令人驚奇的選擇性”為題的專家評(píng)述文章，專家認(rèn)為該過程未來在工業(yè)上具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)力。
在這項(xiàng)合成氣催化轉(zhuǎn)化研究中，團(tuán)隊(duì)摒棄了延續(xù)90多年的費(fèi)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，將更好地服務(wù)國家能源安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)。
“十年磨一劍”，這期間，團(tuán)隊(duì)除了申報(bào)專利，未曾公開發(fā)表過一篇相關(guān)研究文章。德國一位專家在得知這一成果后，沮喪地說：“這個(gè)點(diǎn)子為什么不是我們先想到的？”
回想過去，潘秀蓮多次提到包信和的一句話：“只要方向?qū)?，不怕路途遠(yuǎn)；只要肯堅(jiān)持，再冷的板凳也能坐熱。”
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(tuán)隊(duì)與劉中民領(lǐng)導(dǎo)的應(yīng)用研究團(tuán)隊(duì)共同組建技術(shù)攻關(guān)小組，與延長石油集團(tuán)合作，推動(dòng)科技成果從實(shí)驗(yàn)室快速走向應(yīng)用開發(fā)。合成氣制烯烴千噸級(jí)工業(yè)試驗(yàn)裝置建設(shè)時(shí)，包信和提出了“科教報(bào)國、創(chuàng)新引領(lǐng)、產(chǎn)研融合、高端發(fā)展”16個(gè)字，并將16字條幅高高懸掛在裝置上。
科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)催化劑各項(xiàng)指標(biāo)和性能進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，工藝設(shè)計(jì)和工程開發(fā)團(tuán)隊(duì)也在對(duì)工藝流程和分離系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，全力推進(jìn)工程化轉(zhuǎn)化和工業(yè)示范，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。”潘秀蓮說。
示范：頂層設(shè)計(jì)先行先試
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(diǎn)的第一線。
“碳中和目標(biāo)提出后，涌現(xiàn)出各種各樣的技術(shù)路徑和解決方案，它們之中甚至有些是矛盾的，我們必須要頂層設(shè)計(jì)，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?！痹趧⒅忻窨磥?，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不只需要發(fā)展單項(xiàng)技術(shù)，更需要各能源分系統(tǒng)耦合互補(bǔ)，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(dòng)。
2018年，中科院批準(zhǔn)依托大連化物所組織實(shí)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(xiàng)。專項(xiàng)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(bǔ)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(bǔ)的清潔能源發(fā)展策略，以期實(shí)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(jìn)能源革命。
為更快更好地驗(yàn)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(jí)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(dòng)計(jì)劃和實(shí)施方案。
“榆林有中國‘科威特’之稱，甚至比它更有優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)檫@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?！庇芰种锌茲崈裟茉磩?chuàng)新研究院執(zhí)行院長任曉光告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“榆林有產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型需求、有發(fā)展動(dòng)力，我們與榆林一拍即合?！?
在榆林示范區(qū)，中科院將負(fù)責(zé)能源產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計(jì)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(cái)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(shì)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(dòng)計(jì)劃整體布局下，發(fā)揮全院“一盤棋”作用，統(tǒng)籌資源和優(yōu)勢(shì)力量，以解決關(guān)鍵核心科技問題為抓手，促進(jìn)構(gòu)建綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系和清潔低碳、安全高效的能源體系，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，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(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)提供強(qiáng)有力的科技支撐。
來源：中國科學(xué)報(bào)
