【“液态阳光”:推动碳达峰、碳中和的技术新路径】以太阳能为动力,水和二氧化碳作原料,在催化剂作用下合成出甲醇,用以替代化石能源,实现碳的循环利用——甘肃籍中国科学院院士、中科院大连化学物理研究所研究员、博士生导师李灿及其团队,历时20年载攻克的液态太阳燃料合成技术,将这一梦想变为现实。

而随着液态太阳燃料合成技术在兰州新区成功完成工业化验证,人类为早日实现“碳中和、碳达峰”有了一条全新路径。

二氧化碳变废为宝

车辆离开兰州新区繁华的核心区,沿着笔直开阔的道路向西北方向行驶20余公里,便到了兰州新区倾力打造的化工园区。道路一侧的一座小山丘上,漫山遍野铺满了光伏板,在阳光照射下显得格外壮观。

“这是液态太阳燃料合成示范项目的光伏发电部分,占地259亩,用来将太阳能转化为电能。”兰州新区石投集团高级技术主管李春新介绍说。

距离山丘不远,就是项目的主厂区,里面矗立着项目的核心设备——各种各样的装置、在空中穿梭交织的管道、高耸的反应塔,显示出十足的科技范儿。

“用山丘上光伏板发的电,将水电解为氢气和氧气,再让氢气和二氧化碳反应,就生产出了甲醇,也就是我们所说的‘液态阳光’。”李春新尽量用最简要的语言道明了项目的原理。

甲醇,可作为燃料替代石油,同时也是一种重要的化学中间体,在化工领域应用非常广泛。

电解水制氢,氢再与二氧化碳反应制甲醇,在实验室早就在研究,液态太阳燃料合成示范项目有何特别之处?

“关键在于合成过程中使用了李灿院士团队所研发的高效催化剂。”李春新说,这一项目由光伏发电、电解水制氢、二氧化碳加氢等3个重要生产环节组成,其中,李灿院士团队研发的催化剂在后面两个环节发挥了关键作用。

催化剂是在化学反应中加入的一种特殊物质,其本身不会参与反应,却可以加快化学反应的速度,全面提升效率。

实验室里,通过电解水得到氢气,再让二氧化碳与氢气反应生成甲醇的过程复杂漫长,且条件也相对苛刻,而没有实现大规模化工业过程。而李灿院士团队研发的高效催化剂,则极大加快了电解水和二氧化碳加氢的进程,解决了关键技术难题,使工业化生产“液态阳光”变为了现实。

“通俗地讲,液态太阳燃料合成示范项目就是利用太阳能、水和二氧化碳生产出甲醇的过程,它将无形的太阳能量转移到了液态的甲醇当中,因此,以这种方式得到的甲醇被形象地称为‘液态阳光’。”李春新进一步解释说。

兰州新区化工园区总顾问、兰州大学化学系教授张有贤认为,“液态阳光”合成技术是一项革命性的技术,其重大现实意义在于将二氧化碳变为重要的生产原料,划时代地解决了工业二氧化碳尾气的利用问题。

“工业生产过程中,二氧化碳之所以被大量排放,是因为它无法被大量利用,产生不了价值。而在‘液态阳光’的生产中,二氧化碳变成了重要原料,有了利用的价值。”张有贤说,液态太阳燃料合成示范项目不仅将太阳的能量转移到了液态的甲醇中,也使二氧化碳中的碳元素“封存”到了甲醇中,这是人类利用二氧化碳的一次重大创举。

催化技术重大创新

中国科学院大连化学物理研究所位于辽宁省大连市沙河口区,不远处就是大连著名的星海广场和星海公园,依山而建、环境优美。

大连化物所是一座以基础研究与应用研究见长的综合性研究所,催化化学是其重要的研究领域。自1983年到大连化物所读研究生以来,李灿院士不断向着一座又一座催化领域高峰努力攀登。“液态阳光”则是李灿和他的团队在催化剂研究上又一次重大突破。

“‘液态阳光’合成成功,实际上就是催化技术的成功。”近期,记者专程前往大连化物所,对李灿院士进行了专访。李灿介绍说,“液态阳光”的合成过程中,通过加入催化剂,大幅提升了电解水制氢、二氧化碳加氢两个生产环节效率。

也就是说,李灿团队分别攻克了两大催化技术。

以电解水制氢为例:传统电解水制氢能耗大,生产出同样体积的氢气不仅成本高,而且速度慢。但使用李灿院士团队研发的先进电催化剂后,单位时间内电解的氢气量大幅增加。

“以前,一小时能够出几百方氢气就已经了不起了,现在我们可以出1000方以上,这是一个很大的进步。”李灿说。

制氢速度提升的同时,还有成本的下降。

传统制氢,每产生一立方米氢气大概需要耗5度以上的电能,但兰州新区液态太阳燃料合成示范项目把生产一立方米氢气的耗电量降至4.3度。

“别小看这0.7度,一方省下0.7度,1亿方、10亿方又要省下多少电,这个量大得不得了。”李灿说,工业生产必须要考虑效率和成本,否则没有企业愿意干。

前沿技术的探索之路往往充满着艰辛。

“液态阳光”的成功,研制出具有很强靶向性的催化剂是关键。一次次试验、一次次失败,李灿院士团队没有放弃。

“加入催化剂后,要让氢气和二氧化碳反应后生成甲醇,而不是甲烷之类的其他物质。”李灿院士说。

与实验室环境不同,工业合成“液态阳光”必须要充分考虑到杂质、水、温度等对催化剂的影响。

比如:要确保催化剂耐高温,温度升高不会被烧死、烧结。同时,工业二氧化碳含有大量杂质,有毒化作用,这又需要催化剂要特别“皮实”,既要在温度高的时候不怕烧结,又要同时在各种各样的“粗粮杂粮”原料过来能够被消纳。

“一般的催化剂很怕水,温度高的时候,水对催化剂的破坏很严重,而二氧化碳加氢过程中会产生大量的水,又给我们带来新的问题、新的挑战。”李灿说。

通过许多次攻关,一系列问题最终逐一得到解决。
李灿院士团队成员在大连化物所实验室进行催化剂性能测试。

2020年10月15日,兰州新区“液态阳光”示范项目通过了中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。来自全国各地的权威专家一致认为:这一项目具有完全自主知识产权,整体技术处于国际领先。

而“液态阳光”项目运行数据也显示,项目运行1000小时的时候,催化剂依然没有明显失活,抗中毒和抗烧结良好,达到了推广条件。这意味着“液态阳光”这一科技成果已经具备工业化生产条件。

兰州新区“液态阳光”示范项目为下一步建设10万吨级、百万吨级的“液态阳光”生产线打下了基础。
“太阳能是取之不尽用之不竭的,同样的道理,我们还可以用风能、水能等绿色能源发电,与水和二氧化碳合成出清洁的甲醇。”李灿说。

技术应用前景广阔

2020年1月17日,注定是一个值得铭记的日子。这一天,总占地面积289亩,投资约1.4亿元的兰州新区液态太阳燃料合成示范项目成功投运,呈液体状的粗甲醇第一次从设备终端的管道中流出。

“电是通过光伏发电得到的,水是普通的工业用水,二氧化碳是从合成氨工厂尾气中捕获的,整个甲醇的生产过程完全实现了绿色生产。”李灿院士团队的王集杰博士见证了这历史性的一刻。

化学品的工业化生产存在着放大效应,在相同的操作条件下,利用小型设备在实验室得出的研究结果,往往与大型生产装置得出的结果有很大差别。
“在实验室里,最初放入反应管的催化剂只有1克,成功后,我们把量放大100倍以上,也就是加入100克催化剂再看结果,成功了,才有了进行工业试验的基础。”王集杰说。

从试验室中的瓶瓶罐罐,到完成工业中试,是“液态阳光”合成技术的一次大跨越。

兰州新区液态太阳燃料合成示范项目可年产甲醇1000吨,反应器中投入的催化剂达到了1.6吨,是原始试验的160万倍,达到了项目的工业化示范作用。

“现在的任务是进行推广应用,建设10万吨级甚至规模更大的项目。”王集杰说。

新技术能否被推广,还要算经济账。

兰州新区液态太阳燃料合成示范项目有关负责人、兰州新区石投集团有限公司总经理姜锦算过一笔账,在这一项目中,每吨甲醇的生产成本为3000元。而以传统的煤化工方式生产,每吨甲醇的成本约为2000元。

3000元与2000元,貌似“液态阳光”合成技术缺乏竞争力。

“项目的二氧化碳是购买的,因此增加了500元的成本,而随着‘碳达峰’‘碳中和’目标的提出,传统二氧化碳排放企业面临巨大的减排压力,我们项目很有可能‘零成本’甚至负成本获得二氧化碳,从而使‘液态阳光’成本大幅降低。”姜锦说。

在合成“液态阳光”过程中,除了二氧化碳,电价也对成本有着重要的影响。另一个好消息是,随着技术的进步,光伏发电的成本也在不断下降。

“3000元的成本是按每度电0.20元的价格计算的,现在有些地方光伏发电成本已降到了几分钱。”对“液态阳光”合成技术的推广前景,姜锦充满信心。

在液态太阳燃料合成示范项目中,之所以将甲醇称为“液态阳光”,是因为太阳的能量被一步步转移到了甲醇中。项目落户兰州新区,一个重要原因就是当地海拔高,太阳能资源丰富。

“当然,这也同兰州新区对高科技成果应用的重视密不可分,从2018年考察对接到2019年开工,再到2020年建成试运行,仅仅用了1年多的时间,兰州新区从土地、资金等多个方面给予了大力支持。”姜锦说。

在王集杰看来,兰州新区液态太阳燃料合成示范项目的影响将会非常深远。

我国每年的二氧化碳排放量约100亿吨,其中近一半集中在电力、化工、冶金等八大行业。如果能将这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产出比例,就等于全国每年在减排50亿吨二氧化碳的同时,能够生产出35亿吨甲醇,社会效应无法估量。

王集杰说,目前工业捕集二氧化碳技术已经相对成熟,未来,人们还可以对轮船等排放的二氧化碳进行捕集利用。

“液态阳光”合成技术在兰州新区完成工业化验证后,引起社会广泛关注。

在中国可再生能源学会科学技术奖评审中,液态太阳燃料合成项目荣获技术发明奖一等奖。

“已经有多家企业来对接合作,有的已经进入合同起草阶段,很快就有10万吨级以上的液态阳光甲醇合成项目启动建设。”王集杰说。

太阳能为动力,将二氧化碳变废为宝,实现碳的资源化循环利用,这一天很快就会到来。(新甘肃客户端)

民间故事:《拾金不昧的姑娘》
古代,有个男子娶了个媳妇,洞房花烛夜,媳妇却不肯相就,惹得男子很是着急。女子见他着急,便叹了口气,道:“唉,我不是你的新娘,难以相从啊。”男子听此甚是疑惑,便追问是怎么回事。没想到,得知真相后,男子竟做了件令人意想不到的事,结局令人慨叹。
这是怎么回事呢?事情得从头说起。
话说,这新娘名叫李冬梅,自幼长在贫困之家。6岁的时候,父亲去世,只留下母亲李氏与她相依为命,艰难度日。
这天早上,李氏带着冬梅去挖野菜。路上,经过一棵大树的时候,冬梅突然发现树底下有个包裹,便喊母亲停下来看看。
李氏拿起包裹,沉甸甸的,摸了摸,感觉是银子。见四下无人,她便对女儿道:“这估计是别人丢的银子,我们弄点树叶给遮上,别让人瞧见捡走了。”
李冬梅也正有此意,便与母亲一同把包裹藏在树叶里。随后,二人就在树下等着,看看有没有人过来寻找。
刚等了一会儿,果然有只马车到这里停下。车上下来一对年轻的夫妇,相貌不凡,身着白衣,倒像是大户人家出来的子弟。
年轻夫妇俩见了李冬梅母女,便问道:“请问婶子,有没有在这儿瞧见一个包裹。”
李氏听此,便道:“适才瞧见一个,你说说里面是何东西?”
对方答道:“哦,里头装的是银子。”
李氏点了点头,和女儿把刚刚藏起来的包裹拿出来,递给了夫妻俩,道:“适才我和女儿发现这包裹,怕被人捡走,也就藏了起来,在这儿等失主呢。”
夫妻俩很是感激,鞠了鞠躬,道:“多谢婶子,本来这银子得分你一半,可这是我二人要到京城寻医,救我父亲的银子,他日定当谢过。”
李氏听此,摆了摆手道:“这本就是你二人的,不义之财莫取一分,你二人赶紧赶路去吧,别耽搁了。”
年轻夫妇俩拱手谢过,临走前,男子摘下随身携带的玉佩,递给了李氏,道:“不知婶子和女儿叫什么名字,他日若是有需要,可到姑苏南山寺旁的马家找我。”
李氏接过玉佩,道:“那就谢过马公子啦,我夫家姓李,女儿名叫李东梅。”年前夫妇俩听此,点了点头,道谢后就上了马车,飞奔而去。
李氏则带着女儿,按原先计划好的,去摘野菜充饥。
10几年后,李氏辛辛苦苦,已经把女儿拉扯大,母女俩依旧相依为命。
可俗话说得好,天有不测风云,人有旦夕祸福,这年发了大水,许多庄稼地都没了。当地闹了饥荒,李氏母女俩难以度日。
这时候,李氏想起了十多年前,马家夫妻给的玉佩,便交给了女儿,道:“冬梅,剩下的粮食,难以供我娘俩度日,你拿着这个玉佩,到姑苏南山寺旁的马家,看看他们能不能给条活路。”
李冬梅已经长大了,知道家里的不容易,便抹了抹泪,告别母亲,自己一个人,带着一个破碗,一边乞讨一边上路了。
一连走了半个多月,李冬梅在风吹日晒之下,终于赶到了姑苏城。正要去向路人询问马家的消息,她终于支撑不住,倒在了一户人家门外。
醒来的时候,李冬梅仿佛是在梦中一样,自己身上,居然穿着一套新娘的红衣装,睡在一个温暖的大床上。
正当她迷迷糊糊的时候,一个中年女子走来,温声说道:“姑娘,你醒了。你昨儿个倒在我们家门口,被我们救进来了,好些了么?”
李冬梅踌躇一会儿,想起了自己倒在一户人家门口的事,便向女子道谢。
女子拉着她的手,道:“醒过来就好啦,老身有一事相求,不知姑娘是否愿意呢?”
李冬梅点了点头,道:“恩人但说无妨。”
女子道:“哎,我家女儿本是许配给马公子的,奈何她跟另一个公子好上了,不愿嫁过去。老身见姑娘年轻貌美,可替我女儿出嫁,我认你为干女儿,给你嫁妆,可否?”
李冬梅还没缓过来,听了这话,隔了一会儿才点了点头,回应道:“恩人的事,就是小女子的事,不敢推辞,就依此而行吧。”
中年女子甚是高兴,拉着她的手又说了好一会儿的话。
而李冬梅心里则暗道:“既然她对我有恩,且是个大户人家,必能帮我母亲,我就依此而行,倒也不是不可以。”
当日,迎亲队伍就把李冬梅接了过去,李冬梅则迷迷糊糊地拜了堂,成了亲。
是夜,新郎笑嘻嘻地掀开马冬梅的红盖头,随后便要她褪去衣裳。马冬梅第一次见这种场面,畏畏缩缩,又有些娇羞。
新郎见她不愿意,便有些着急。
李冬梅这才开口道:“夫君,其实我不是你的新娘。”
新郎听此吓了一跳,问是怎么回事。李冬梅觉得瞒着他也不好,就一五一十地讲了,自己从何而来,为何到此的事。
新郎是个正人君子,听了李冬梅的话,便拉着她去跟父亲说了此事。李冬梅跪拜公婆,请求原谅。这一跪,身上的玉佩恰好掉了下来。
公婆二人见玉佩眼熟,便拿起来看看,发现是多年以前,自己送给一对母女的玉佩。于是便问李冬梅叫什么名字。
李冬梅说了自己和母亲的名儿,公婆二人听此笑道:“那你找的就是我们家啊,真是天意,恰好就做我家的媳妇了。”
第二天,李冬梅就和丈夫去接了母亲过来,此后一家人过得甚是幸福。
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