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一場科技與“雙碳”的雙向奔赴
分類：行業(yè)動態(tài)
來源：中國科學報
發(fā)布時間：2022-08-02
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50萬噸/年煤基乙醇工業(yè)裝置 王曉亮攝
最近，中科院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）所長劉中民院士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“雙碳”目標具有重要戰(zhàn)略意義。
“這一項目直接從10萬噸/年的規(guī)?？缭降?0萬噸/年的規(guī)模，做這一決定時很多人認為風險很大，但我們有信心、有動力，因為大連化物所科學家的研究值得信任。技術是企業(yè)甚至是煤化工產業(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）（以下簡稱延長石油集團）科技部部長王軍峰告訴《中國科學報》。
實現碳達峰、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，通過頂層設計，發(fā)揮多學科建制化優(yōu)勢，啟動實施了“中國科學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），為實現碳中和戰(zhàn)略目標提供科學基礎、關鍵技術和系統解決方案。
在陜西榆林，大連化物所的技術與示范得到了驗證。
應用：工程轉化為國為民
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屹立。
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。我國曾希望在全國范圍內推廣使用乙醇汽油，卻沒能實現。
“關鍵問題在于需求大，而乙醇量根本不夠?！眲⒅忻窀嬖V《中國科學報》，過去乙醇主要生產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，煤基乙醇技術這條“賽道”上聚集了全球諸多國家的競爭者，但由于技術難度大、經濟性不高，始終處在開發(fā)階段，未能實現工業(yè)化。2010年10月，劉中民帶領團隊開啟了煤制乙醇關鍵技術攻關，把剛回國并入職大連化物所的朱文良拉入隊伍作為負責人。
競爭、賽跑，暗潮涌動下團隊每個人都背負了不小的壓力。
朱文良習慣把團隊4位成員稱為“兄弟”?！罢f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?！敝煳牧几嬖V《中國科學報》，將近兩年的時間里，他們沒有放過假，即使周末也會到實驗室。由于始終沒有取得突破，他們也曾氣餒過。
經過反復試驗和研究，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，為煤基乙醇技術的工業(yè)化奠定了堅實的基礎。
“我們的最終目標是應用，若用不上，對社會的實際貢獻是虛的?！眲⒅忻裾f。團隊來不及慶祝，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權技術的全球首套10萬噸/年煤基乙醇工業(yè)示范項目打通全流程，生產出合格無水乙醇。
回想那6年“風風火火”的日子，劉中民坦承速度非?？?。基于扎實的基礎研究和豐富的工業(yè)化經驗，他們說服企業(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、工程和設計團隊，以及企業(yè)之間多方的協作支持，總結經驗、規(guī)避風險，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。截至目前，煤基乙醇技術許可合同10項，累計產能達295萬噸/年?！笆奈濉逼陂g，乙醇技術的許可合同累計產能預計可達400萬噸/年，預計產值達250億元。
此外，劉中民團隊另一項應用研究——以煤炭為原料的甲醇制烯烴系列技術已經簽訂了31套裝置的技術實施許可合同，包含出口1套，烯烴產能達2025萬噸/年，預計拉動投資超4000億元。已投產的16套工業(yè)裝置，烯烴產能超過900萬噸/年，新增產值超過900億元/年。
煤基乙醇和甲醇制烯烴技術，是劉中民基于我國能源現狀所開發(fā)的技術。
“實現碳中和需要低碳化轉型，這是相對長期的過程?！眲⒅忻裾f，當前，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是助推煤化工產業(yè)轉型升級、保障能源安全、實現“雙碳”目標的重要途徑。
基礎：突破難題創(chuàng)新引領
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“合成氣直接轉化制低碳烯烴”技術而建的全球首套煤經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鍵期。
“那天晚上，包老師就吃了個饅頭，他和潘老師認真嚴謹地把控著每個細節(jié)，和開車團隊一起值守到深夜?！蓖踯姺逯钢謾C上照片拍攝時間告訴《中國科學報》，“1點56分?！?/p>
“合成氣直接轉化制低碳烯烴”技術是我國完全自主從原創(chuàng)基礎研究突破出發(fā)，實現過程放大和工業(yè)示范的創(chuàng)新成果。
這是一條歷經近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，探索合成氣直接轉化制烯烴的構想。這是一個讓人激動萬分的科學構想，如果能實現，將給傳統工藝路線帶來顛覆性變革，對我國能源安全具有深遠意義。
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生目標產物。然而，實驗結果總是達不到預期效果，一次次失敗，一次次優(yōu)化改進，兩屆博士生都未能做出理想結果。
“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，把控制反應活性和產物選擇性的兩類催化活性中心分開到一定距離，從而形成一種復合的雙功能催化劑體系。
經過反復實驗優(yōu)化，結果令人振奮。2016年3月4日，《科學》刊登了該研究成果，并同期刊發(fā)了以“令人驚奇的選擇性”為題的專家評述文章，專家認為該過程未來在工業(yè)上具有巨大的競爭力。
在這項合成氣催化轉化研究中，團隊摒棄了延續(xù)90多年的費托合成路線，開創(chuàng)了一條低耗水、低耗能的煤基合成氣轉化制烯烴的新途徑，將更好地服務國家能源安全和經濟社會建設。
“十年磨一劍”，這期間，團隊除了申報專利，未曾公開發(fā)表過一篇相關研究文章。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？”
回想過去，潘秀蓮多次提到包信和的一句話：“只要方向對，不怕路途遠；只要肯堅持，再冷的板凳也能坐熱?！?/p>
基礎研究取得突破后，包信和和潘秀蓮領導的基礎研究團隊與劉中民領導的應用研究團隊共同組建技術攻關小組，與延長石油集團合作，推動科技成果從實驗室快速走向應用開發(fā)。合成氣制烯烴千噸級工業(yè)試驗裝置建設時，包信和提出了“科教報國、創(chuàng)新引領、產研融合、高端發(fā)展”16個字，并將16字條幅高高懸掛在裝置上。
科研團隊進一步對催化劑各項指標和性能進行優(yōu)化的同時，工藝設計和工程開發(fā)團隊也在對工藝流程和分離系統進行優(yōu)化設計，全力推進工程化轉化和工業(yè)示范，力爭早日實現技術產業(yè)化?！迸诵闵徴f。
示范：頂層設計先行先試
無論是工程轉化還是基礎研究，中科院幾代科技工作者聚焦“雙碳”戰(zhàn)略需求，“數十年如一日”深耕“雙碳”領域，接續(xù)前行、賡續(xù)奮斗，站在突破關鍵核心技術和工程建設難點的第一線。
“碳中和目標提出后，涌現出各種各樣的技術路徑和解決方案，它們之中甚至有些是矛盾的，我們必須要頂層設計，發(fā)揮科技創(chuàng)新的引領作用，找到未來合理的雙碳發(fā)展路徑，這是當務之急?！痹趧⒅忻窨磥?，實現“雙碳”目標是一項復雜的系統工程，不只需要發(fā)展單項技術，更需要各能源分系統耦合互補，各自發(fā)揮所長、規(guī)避短板，跨部門、跨行業(yè)、跨領域聯動。
2018年，中科院批準依托大連化物所組織實施“潔凈能源關鍵技術與示范”戰(zhàn)略性先導科技專項。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，以期實現化石能源、可再生能源、核能的融合發(fā)展，構建多能融合的新型能源體系，加快推進能源革命。
為更快更好地驗證技術方案和示范，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。
（來源:中國科學報