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      【专访】全球首套千吨级液态太阳燃料合成示范项目通过科技成果鉴定
      作者:陈继军 | 来源:《中国石油和化工产业观察》杂志 | 时间:2021-01-05

      本文出自《中国石油和化工产业观察》杂志

      记者:陈继军

          10月15日,全球首套千吨级液态太阳燃料合成示范项目在甘肃兰州新区通过了中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。由中科院院士何鸣元等9位院士专家组成的鉴定委员会给出的结论是该示范采用了电催化分解水制氢和二氧化碳加氢两项国际领先的催化技术,创新集成了液态太阳燃料合成全流程工艺装置,具有完全自主知识产权,整体技术国际领先。在次日举办的绿色氢能和液态阳光甲醇高端论坛上,更有院士专家表示,该示范项目“提供了一条从可再生能源到绿色液体燃料甲醇生产的全新途径,是一项将间歇分散的太阳能等可再生能源收集储存的大规模低成本储能技术,是解决二氧化碳排放的根本途径,是中国实现2030年前排碳达峰和2060年前碳中和的大国重器”。

          那么,液态太阳燃料合成示范项目的具体内容是什么?取得了哪些重大技术突破?技术推广应用后将对我国碳减排产生哪些影响?

          带着这些问题,记者专访了该示范项目首席科学家、中国科学院院士、中科院大连化物所研究员、洁净能源国家实验室(筹)主任李灿先生。



      李  灿

      中国科学院院士、中科院大连化物所研究员、洁净能源国家实验室(筹)主任

      2003年当选中国科学院院士,2005年当选发展中国家科学院院士,2008年当选欧洲人文和自然科学院外籍院士,曾任催化基础国家重点实验室主任、国际催化学会理事会主席及第16届国际催化大会(ICC16)主席,现任中国化学会催化委员会主任,主要从事催化材料、催化反应和光谱表征方面的研究,致力于太阳能转化和利用的科学研究,包括太阳能光电催化分解水制氢、二氧化碳资源化转化等人工光合成研究和新一代太阳电池探索研究,先后获得国家科技发明二等奖、国家自然科学二等奖、中国科学院杰出科技成就奖、何梁何利科学技术进步奖、中国催化成就奖、中国光谱成就奖、日本光化学奖、亚太催化成就奖、国际催化奖,以及国际清洁能源“创新使命领军者”等奖项。



      记者:首先请您介绍一下液态太阳燃料合成示范项目的具体情况。

      李灿:液态太阳燃料合成项目是一个太阳能+水+二氧化碳转化合成甲醇的项目。这次在兰州新区完成的示范项目由10兆瓦光伏发电、1000标准立方米/小时碱性水电解制氢、1000吨/年二氧化碳催化加氢制甲醇3个基本单元组成。项目总投资1.4亿元,占地289亩,于2018年7月开始设计建设,今年1月17日试车成功。后经持续优化改进,8月正式投料并实现稳定运行,9月通过了72小时现场考核,10月通过了中国石化联合会组织的科技成果鉴定,目前已累计运行2400余小时。


      记者:该示范项目的核心技术是什么?

      李灿:它采用了团队开发的新一代电解水催化剂和二氧化碳加氢制甲醇固溶体催化剂两项自主核心技术,包括光伏发电、电解水制氢、二氧化碳加氢制甲醇耦合集成技术。甲醇合成反应压力为7兆帕左右、温度为300摄氏度左右、氢气与二氧化碳比例为3:1、甲醇总选择性达98.5%、在有机相中的含量达99.7%。


      记者:据了解,电解水制氢技术在业内已经十分成熟。您的团队开发的电解水制氢与传统技术有何不同?

      李灿:传统的电解水制氢技术一般规模小、能量转化效率普遍在50%~70%,无法规;ひ涤τ,且制氢能耗高(生产1立方米氢气耗电4.5~5.5千瓦时)。我们研发的镍基体上原子级分散的过渡金属电解水制氢催化剂,可使单套电解槽制氢规模超过1000立方米/小时、能量转化率超过82%,1立方米氢气综合能耗降至4~4.3千瓦时?梢运,这是目前世界上规;钚缘缃馑魄庾酆闲阅茏钣诺募际。


      记者:据说二氧化碳加氢直接制甲醇被公认为世界性难题,主要难在哪儿?您的团队又是如何破解的?

      李灿:传统合成气制甲醇的铜基催化剂直接用于二氧化碳加氢制甲醇,不仅甲醇的选择性低(一般只有50%~60%),而且反应生成的水会加速铜基催化剂失活。另外,铜基催化剂对合成气中的硫杂质十分敏感,要求合成气中的硫含量不得超过0.05%,否则催化剂就会中毒失活。这些问题极大地限制了传统催化剂在二氧化碳加氢制甲醇中的应用。针对这些难题,我的团队研发了全新的氧化锌-二氧化锆(ZnO-ZrO2)双金属固溶体氧化物催化剂,不仅大幅提升了二氧化碳的单程转化率,还将甲醇单程选择性提高至90%左右,固定床连续循环反应选择性接近99%。与此同时,相比传统铜基催化剂,我们的催化剂抗硫能力更强。


      记者:听说此前冰岛已经有4000吨/年地热发电-电解水制氢-二氧化碳加氢制甲醇项目投运,囯内中海油富岛公司5000吨/年二氧化碳加氢制甲醇示范项目也已通过中国石化联合会组织的专家鉴定和技术评估。你们的示范项目与上述两个项目有何不同?

      李灿:项目的目标和技术都有不同。冰岛开发地热的同时排放二氧化碳,用自己的地热能解决自己释放的二氧化碳,对于地热能开发有意义。中海油富岛公司的项目利用化学工业副产的氢,从碳足?,具有降低碳排放的作用。我们是直接利用波动间歇的太阳能光伏发电,氢来自于太阳能等可再生能源,进行二氧化碳加氢,可实现净减排二氧化碳,具有可再生能源转化储存的意义。另外,我们所用催化剂也与上述两个项目完全不同。我们的示范项目可称之为液态阳光甲醇技术。


      记者:液态阳光甲醇技术有什么样的意义?

      李灿:总体而言,有四方面重大意义:

      一是能够大规模消纳并资源化利用二氧化碳。液态阳光甲醇技术先将风、光、水等可再生能源转化为电能,再用其电解水制绿氢,又通过氢气与二氧化碳合成液体甲醇,整个过程相当于太阳能+水+二氧化碳→甲醇+氧气,是典型的人工光合过程,不仅不会排放二氧化碳,而且能消纳大量二氧化碳。

      二是能够解决我国可再生能源弃电问题,将电能转化为可长期储存的液态燃料,开创了高压输电外输送能源的新模式。

      三是所生产的甲醇是优质的液体燃料和大宗化工原料。

      四是作为理想的储氢载体,甲醇储氢量大,安全方便地输运到目的地后,与水重整即可生产氢气。且生产、储存、运输、应用过程安全可靠,技术成熟。


      记者:液态阳光甲醇技术的经济性如何?

      李灿:实事求是地说,经济性问题是所有可再生能源发展应用初期面临的共性问题。该技术的经济性主要取决于可再生能源发电成本和电解水制氢成本。若电价降至0.25元/千瓦时,万吨级规模就有可观的经济效益;若电价在0.2元/千瓦时以下,可与煤制甲醇竞争。若加上今后的碳权交易和碳税收益,经济性还会大幅提升。据行业判断,光伏发电先进技术的成本在不远的未来将逼近0.1元/千瓦时。如真的实现,液态阳光甲醇技术就比化石原料甲醇的成本更低了。


      记者:液态阳光甲醇技术距离工业化应用还有多远?

      李灿:示范项目验证了技术方案的可行性,以及核心技术催化剂的高选择性、高活性、耐毒性和长寿命,为工业化应用优化了参数和条件。目前,相关各方正在进行万吨级规模的可研论证和工艺包的编制,项目验收鉴定专家建议可上马10万吨级规模的工业化装置。


      记者:有专家建议在西部沙漠戈壁地区建设大型风电场和光伏电站,并通过其生产的电力电解水,再采用您团队开发的二氧化碳加氢合成甲醇技术建设大型工业化装置,您赞成吗?

      李灿:液态阳光甲醇技术应用须具备3个条件:可再生能源资源丰富且利用条件好、有方便易得的二氧化碳资源、有一定的水资源。西部地区煤化工和石油化工企业多,有大量二氧化碳;光/风等可再生资源丰富,但水资源相对短缺。综合考虑,我认为液态阳光甲醇技术较适宜应用于我国西北部地区以及沿海风电丰富的地区。


      记者:您认为液态阳光甲醇技术的前景如何?

      李灿:我充满信心。以我国甲醇行业为例。2019年,我国甲醇产能8812万吨,产量6216万吨,全年排放二氧化碳1.54亿吨。若全部采用液态阳光甲醇技术,按每生产1吨甲醇转化1.3吨二氧化碳计算,每年可消纳接近1亿吨二氧化碳。若甲醇被用作燃料代替我国汽油和柴油,则减排的二氧化碳总规模将达到10亿吨。


      记者:近几年,氢能被许多人誉为21世纪的终极能源,您怎么看?

      李灿:把氢能当作21世纪的终极能源,必须有一个基本前提,即氢能必须从可再生能源中来,即绿氢。因为只有可再生能源制氢才能保证氢能的全生命周期中没有二氧化碳排放,才能实现未来能源的可持续发展。虽然煤制氢、天然气制氢,或者工业副产氢技术成熟、当前成本也较低,但使用这种氢的燃料电池谈不上清洁技术。


      记者:继承诺2030年前实现碳排放达峰后,中国又承诺2060年前实现碳中和。在这一过程中,您希望液态阳光甲醇技术起到什么作用?

      李灿:我国目前排放二氧化碳超过100亿吨,占全世界28%,是碳排放头号大国,即便不主动减排也会被西方发达国家倒逼?銮,减排二氧化碳不仅为了全球生态文明,更关乎14亿中国人民的生命健康。因此,实现大规模碳减排并最终实现碳中和,是我们不得已的战略选择。而就目前的减排效果看,液态阳光甲醇技术完全胜任碳减排的主力军角色。

      记者:谢谢您接受采访!

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