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(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(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）（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(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(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標提供科學基礎、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)與示范得到了驗證。
應用：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(nèi)推廣使用乙醇汽油，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(jīng)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(shù)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(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“風風火火”的日子，劉中民坦承速度非常快?；谠鷮嵉幕A研究和豐富的工業(yè)化經(jīng)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(xié)作支持，總結(jié)經(jīng)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(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?！笆奈濉逼陂g，乙醇技術(shù)的許可合同累計產(chǎn)能預計可達400萬噸/年，預計產(chǎn)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(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)的技術(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：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)鍵期。
“那天晚上，包老師就吃了個饅頭，他和潘老師認真嚴謹?shù)匕芽刂總€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。”
“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構(gòu)想，如果能實現(xiàn)，將給傳統(tǒng)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(chǎn)生目標產(chǎn)物。然而，實驗結(jié)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(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(chǎn)物選擇性的兩類催化活性中心分開到一定距離，從而形成一種復合的雙功能催化劑體系。
經(jīng)過反復實驗優(yōu)化，結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化制烯烴的新途徑，將更好地服務國家能源安全和經(jīng)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(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?qū)?，不怕路途遠；只要肯堅持，再冷的板凳也能坐熱?！?
基礎研究取得突破后，包信和和潘秀蓮領(lǐng)導的基礎研究團隊與劉中民領(lǐng)導的應用研究團隊共同組建技術(shù)攻關(guān)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(lǐng)、產(chǎn)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(tǒng)進行優(yōu)化設計，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?！迸诵闵徴f。
示范：頂層設計先行先試
無論是工程轉(zhuǎn)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(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)和工程建設難點的第一線。
“碳中和目標提出后，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，這是當務之急?！痹趧⒅忻窨磥恚瑢崿F(xiàn)“雙碳”目標是一項復雜的系統(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(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。
為更快更好地驗證技術(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)，中科院將負責能源產(chǎn)業(yè)頂層設計和戰(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、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”作用，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。
來源：中國科學報
