【“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,使早日实现“碳达峰、碳中和”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,一小时能够出几百立方米氢气就已经了不起了,现在我们可以出1000立方米以上,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1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1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,1亿立方米、10亿立方米又要省下多少电,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。

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,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经大幅下降。”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。(来源:甘肃日报)

【合肥匡河公园南门库景区正式开园 ,快来打卡吧!】特色龙门吊、时光隧道、绿野仙境……六一儿童节当天,蜀山区匡河公园南门库景区正式对市民开放,许多市民带着孩子前来打卡游玩。
南门库景区位于合作化路与休宁路交口西北角,建设总绿地面积约4.9万平方米,整合了铁路、龙门吊等特色景观,是集文化、休闲、时尚、运动、生态为一体的多功能生态文化打卡地。

南门库景区以龙门吊为核心展开景观布局,龙门吊修旧如旧,以全新的形象再次呈现出来。景区设置活力篮球场、器械运动区等多功能活动场地,结合铁轨打造趣味观赏空间。在敞开式草坪及广场,可以尽情观赏庞大的龙门吊。“匡”住快乐,“河”你一起,快来南门库景区打卡吧!
(安徽之声马骏 通讯员王梁 汪青青 赵瑞瑞 葛庆钊 季云冈)

【奏响能源革命“变奏曲”——吕梁市扎实推进能源革命纪实】

吕梁,是一片充满开拓和创新的活力热土。曾经,保家卫国的故事在这里发生,大胆改革的探索在这里起航,敢于斗争的吕梁精神在这里孕育。如今,吕梁市抢抓我省开展能源革命综合改革试点的历史机遇,充分挖掘资源优势,深入推进煤炭行业供给侧结构性改革,大力发展低碳绿色产业,以一批变革性、牵引性、标志性项目着力构建综合能源系统,在奋力打好实现碳达峰、碳中和这场硬仗中,逐渐展现出能源低碳发展新形象,演奏着属于自己的能源革命“变奏曲”。

创新技术

助推能源革命初见成效

在霍州煤电吕临能化有限公司庞庞塔煤矿调度中心,巨大的电子屏实时显示着矿工采煤场景,井下瓦斯浓度和温湿度等指标一览无余。利用5G通信技术搭建起覆盖全矿井上下的高清工业视频监控系统和矿井安全生产综合自动化监控平台,调度中心的工作人员在这里只需要轻点鼠标,屏幕上就可以清晰地展现出井下的安全生产状况和设备的运行状态。

企业负责人介绍,2019年,庞庞塔煤矿与山西联通、华为等公司合作建设,开展了“5G+智能矿山”项目建设,建成了“一张网”“一张图”“一朵云”“一平台”的信息化基础设施,通过5G+边缘计算中心+工业互联网的互通融合,为矿井智能化建设提供了坚实的基础,实现了井上下5G高清音视频通话、基于5G网络的远程设备操控等多种应用场景,有效提升了煤炭生产效率和清洁供给水平。

庞庞塔煤矿是吕梁推进科技研发和成果转化,全力推进煤炭智能绿色安全开采,推进煤焦化向煤化工产业升级,为能源革命增添新动力的一个缩影。近年来,我市不断加大能源方面科技研发资金投入,依托煤化工传统优势,发展新型碳基新材料,推动高碳资源低碳利用。过去的一年,吕梁确定了庞庞塔煤矿、斜沟煤矿两座智能化煤矿和128处智能化采掘工作面智能化试点建设,持续推广以充填开采、无煤柱开采为主的绿色高效采煤技术应用,确定了4个无煤柱开采技术应用试点和1个充填开采试点,目前,各大项目都在紧张筹备过程当中。

今年的市政府工作报告明确指出,我市将聚焦内涵集约发展,做大做强传统优势产业。“我们将持续推进煤炭建设项目,加大煤矿智能化建设推进力度,加快煤炭绿色高效开发,深入准动能源清洁高效利用,大力实施能源消耗总量和强度双控行动,不断提高能源供给质量和效率,真正走出一条绿色清洁低碳发展之路。”市能源局局长王建明表示。

“氢”装上阵

推动新兴产业实现发展

走进鹏湾氢港一期年产2万吨焦炉煤气制氢项目的施工现场,映入眼帘的是一派繁忙景象:大吊车挥舞长臂,300多名工人坚守在施工第一线进行设备安装、调试,为该项目即将在6月份建成投产做最后准备。

氢能源具有零碳、高效、可储能、安全可控等优势,被视为21世纪最具有发展潜力的清洁能源,是未来世界能源结构的重要组成部分,也是潜力无限、绿色发展的“零污染”“纯绿色”战略能源。瞄定“双碳”目标,我市依托焦炉煤气制氢成本最低的绝对优势以及孝义煤化工园区煤气量大的地域优势,上马了氢能全产业链项目——鹏飞集团鹏湾氢港氢能产业园,项目投资200亿元,分三期建设,全部投产后可实现年产值1000亿元以上,实现利税100亿元以上。

除了鹏湾氢港氢能产业园项目,我市目前已建成孝义千万吨级和交城、汾阳2个五百万吨级煤焦化工集聚区,拥有大量的弃风弃光电、低谷电等可供制氢的存量资源。市政府还与山西美锦、天津锦美等公司签订了合作协议,计划建设氢能与氢交通全产业链项目。

我市大力推进能源领域科技创新,推进节能降碳产业创新发展,加快传统产业绿色转型升级,制定了氢能制取、储存、运输、装备“四链”全产业链集群发展新格局的战略目标,打造面向山西、辐射京津冀的吕梁氢能产业基地,力争到2030年形成30万吨制氢能力,为实现碳达峰、碳中和提供坚实的产业和技术支撑。

吕梁能源改革的铿锵足音,正一点一点响彻全国。

减碳降排

能源供给向多元绿色转变

在推进能源革命中,吕梁守住 “老饭碗”,开发“新饭碗”,氢能、光伏、风电新能源以及煤成气等清洁能源发展如日方升。

在交口县俊泽300兆瓦光伏电站,这里曾经是一片占地8000多亩的采煤复垦区,在经过近几年的综合回填治理以后,现在已经成为了绿色能源的输送基地。负责人王志刚介绍,与传统火力发电相比,光伏电站每年可节约煤炭15.6万吨,减少二氧化硫排放量约1107吨、二氧化碳约40.7万吨。

我市坚持“传统产业支撑转型、新兴产业引领转型”的发展思路,全方位、多角度、深层次推进能源革命综合改革工作。到目前为止,全市累计并网集中光伏项目16个,装机80.5万千瓦;分布式扶贫光伏项目装机38.6万千瓦。累计并网集中式风电项目25个,装机143.9万千瓦;分散式风电项目7个,装机19万千瓦。到2021年底,全市风电装机规模达到131.4万千瓦,全年风力发电量达到22.9亿度;光伏装机规模达到119.1万千瓦,全年光伏发电量达到11.7亿度;全市煤成气近三年年均产量增幅超过40%,产能达到27亿立方米,新能源产业发展迈出坚实步伐。

在大力布局新能源产业的同时,吕梁积极提升清洁能源的产业比重,加快临兴天然气气田开发和增产增储能力,为我省和河北雄安新区建设“绿色低碳之城”提供清洁能源保障。

与此同时,我市大力实施能源消费总量和强度双控,对全市36个“两高”项目采取“停产、停工、停止推进”措施,压减焦化产能的同时,强化能源科技创新,加快煤电铝镁材一体化集群发展,在构建绿色能源供应体系、综合能源消费体系、能源技术创新体系方面迈出坚实步伐,有力促进经济社会发展全面绿色转型。

吕梁是能源大市,实现碳达峰、碳中和对吕梁既是挑战更是机遇。未来,我市将紧紧围绕“控煤增气、降碳减污、协同增效、转型发展”目标,全力实施“双五战略”,认真描绘建设美好低碳城市的新图景,为全国实现碳达峰、碳中和目标作出吕梁贡献。(记者 刘子璇)

吕梁日报


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