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创新技术 打赢蓝天保卫战
发表时间 2018-04-24 10:46 来源 本站原创

  ——记山东大学化工学院朱维群教授及其团队

  近日,国务院印发了国发〔2018〕5号文件,暨《国务院关于印发积极牵头组织国际大科学计划和大科学工程方案的通知》,同时也发布了《积极牵头组织国际大科学计划和大科学工程方案》,划定了组织国际大科学计划和大科学工程方案的重点任务,把环境和气候变化、能源和材料列入优先发展领域。山东大学化工学院朱维群教授及其团队的研究方向非常符合党中央、国务院的这一重大决策部署。他和团队多年来致力于大气污染物防治研究,并一直坚持理论联系实际,将研究成果尽可能应用到实际生产中,取得了一系列显著的创新性成果。

  朱维群1979年考上大学,再从研究生到博士后一直在高校从事教学和科研工作。1998年大连理工大学博士毕业后到山东大学从事教学与科研工作,期间2001年进入山东大学胜利油田博士后站进行油田化学品的开发研究,理论基础和应用经验扎实。近年来主要从事大气污染物防治研发工作,开发的新技术主要有燃煤烟气高效气相脱硫脱硝技术、CO2高值有效封存利用技术、低碳排放的材料合成技术等煤炭清洁利用新技术,形成了一套“大气净化产业新技术”体系。

  创新理论 研发革命性技术

  打赢“蓝天保卫战”,是政府工作报告中着重提到的内容。在大气污染物防治研究方面,朱维群团队所进行的燃煤烟气污染物干式高效脱除技术和二氧化碳高值有效封存利用的研究开发,逐步形成了一套创新的大气净化产业技术理论体系。他发表的《湿法脱硫治理燃煤污染或是雾霾重要成因》观点经人民日报社内参上报,获中央政治局常委、国务院副总经理张高丽批示。团队不仅指出了雾霾发生的一个主要原因,而且还提出开发了一种治理雾霾的烟气处理技术——燃煤烟气污染物干式高效脱除技术。该技术具有创新的理论基础,是燃煤烟气脱硫脱硝处理技术的一次革命。

  团队开发的燃煤烟气污染物高效干式脱除技术是解决大气雾霾的一种烟气处理技术,在全国已有多家工厂应用。该技术与传统技术相比,具有明显优势:(1)理论创新:气相反应、反应效率高,具有新的反应机理;(2)投资成本低:与现有超低排放技术相比,固定资产投资降低80%以上;(3)运行成本低:设备能耗降低,无水耗;(4)脱硫脱硝效率高:不仅常规污染物达到超低排放要求,而且不增加烟气中的水汽及可溶性盐含量,消除了雾霾产生的一个主要原因,是解决雾霾的燃煤烟气处理技术。

  朱维群团队开展的化石燃料环境友好工业路线开发不仅提出了一种经济可行的CO2封存利用的工业方法;而且该技术使CO2得到增值,形成CO2利用的循环经济产业链。将化石能源转变为二氧化碳直接转化为产品的氢能是环境友好的能源工业路线;在二氧化碳转化产品基础上继续合成低内能的三嗪类高分子材料是环境友好的材料工业路线。

  团队提出并开发的化石燃料环境友好工业路线在国内外引起关注,这是一条利用化石能源而不排放二氧化碳的工业路线。目前部分科研成果已与山东有关企业联合申报了山东省重点研发计划并获得资助。

  近期,山东工业技术研究院(山东大学、济南市与山东省科技厅联合成立)以朱维群团队的研究成果为基础筹建大气净化产业技术协同创新中心,涵盖化学与化工、环境科学与工程、能源科学与工程以及材料科学与工程等山东大学二级学院,积极推进与济南市的合作。随着我国大气雾霾治理和低碳发展的紧迫性增加,有多家大型企业与山东大学及团队正在洽谈合作。

  朱维群团队的研究成果具有很大的创新性,这也增加了推广应用的难度。这些成果不是在现有工艺技术上的一点改进,而是全新的处理方法。例如,在全世界应用比例高达90%以上的燃煤烟气湿法脱硫技术不仅存在废水零排放难题,同时也存在着废汽排放处理难题,团队开发的燃煤烟气污染物干式高效脱除技术具有创新的理论基础,是燃煤烟气脱硫脱硝处理技术的一次革命。在生产过程中不排放CO2的化石燃料环境友好工业路线开发理论和技术的创新程度更大,团队相信这将大力促进我国的新旧动能转换和高质量发展。

  经过多年的理论和技术攻关,逐步形成了一套新的大气净化产业技术路线,出版社已预约出版。已发表数十篇学术论文,申请国家发明专利十余项,其中获得授权发明专利7项;完成项目鉴定成果3项,受邀在各种会议上做报告20余次。先后与多家企业合作,完成部分研究项目的工程转化。

  综合而言,朱维群团队的研究成果可应用于以下几个方面:

  (1)环境和气候变化问题

  根据我国绿色能源快速发展受限和现有工业过程节能减排有限的发展现状,朱维群团队提出了新的二氧化碳自主减排的工业技术开发路线:将化石燃料在一定工艺条件下转化为二氧化碳直接封存为产品的氢能是低碳发展的能源路线;将二氧化碳封存产品继续生产三嗪类高分子材料替代一部分高能耗高排放的工业材料是低碳发展的材料工业路线,这是我国应对气候变化一条可行技术途径。

  我国大面积发生的大气雾霾已成民生之患、民心之痛,要铁腕治理,更要科学治理。湿法脱硫治理是雾霾发生的一个重要成因,团队提出的治霾路线是:近期开展燃煤烟气干式高效脱除技术开发;长期进行新的低碳路线开发:将化石能源转化为二氧化碳直接封存的氢能利用是解决我国大气污染的根本方法。

  (2)能源问题

  我国绿色能源快速发展受限,现有工业过程节能减排有限,新的能源路线是将化石燃料在一定工艺条件下转化为二氧化碳直接封存为产品的氢能,这是我国低碳发展的能源路线。

  (3)材料

  将化石燃料或二氧化碳封存产品开发生产为低内能的三嗪类高分子材料替代一部分高能耗高排放的工业材料是低碳发展的材料工业路线。这类材料是介于石油基材料(聚乙烯、聚丙烯等)和无机材料(钢铁、铝材等)之间的一大类材料,随着团队专利技术的开发以及三嗪类高分子材料的生产成本低和低碳排放优势,它可能成为一类广泛应用的材料。三嗪类高分子材料具有无毒无味,耐腐蚀、耐高温、耐低温、阻燃、质轻,有很强的耐用性等综合性能,在全球范围内的建筑装饰、交通车辆、水上船舶、航空航天、机电设备、工业吸音保温等领域中获得广泛使用。

  寻求高碳资源利用的低碳排放技术路线

  自从工业革命以来,工业产品生产体系没有重视二氧化碳的排放问题,近年来由于CO2温室效应引起全球气候变化,发展低碳经济是世界特别是我国的必然选择。不仅煤化工企业没有将碳减排纳入到投资中,我国传统工业企业也没有将碳减排纳入到投资中,目前我国只是在企业项目立项时考虑环境容量(能评)考察。随着我国征收大气污染物排放税和全国碳交易市场的开展,企业下一步应该考虑二氧化碳减排问题。

  我国煤化工在规模化、大型化等方面确实走在世界前列,但现代煤化工作为煤炭清洁利用的方式还有待研究,现代煤化工(煤制油、煤制气及煤制烯烃等)不仅排放大量的二氧化碳,而且总的能源转化效率较低。作为一种战略储备技术可以适度开发,作为一种大规模煤炭清洁利用方式还值得探讨。

  煤炭是碳含量最高的化石燃料,目前,煤化工排放的二氧化碳已大于煤炭本身燃烧产生的二氧化碳。而解决CO2排放问题就是改变煤化工工艺,创新发展零碳排放的煤炭清洁利用技术。

  当前煤化工的碳排放都有详细的工业数据,如煤制烯烃每吨产品大约排放10吨CO2;煤制油每吨油品排放8.7吨CO2;煤制天然气每吨产品排放8.25吨CO2。2015年煤化工行业的CO2排放量约为4.7亿吨,给我国碳减排带来一定的压力。

  改变传统的高碳经济发展模式,寻求低能耗、低排放及低污染的低碳经济正成为我国及全球的战略行动。因此,朱维群团队提出并开展了零碳排放的煤炭清洁利用技术路线开发研究。在现有煤化工基础上通过调整工艺路线和目标产品即可实现零碳排放的煤炭清洁利用。

  现有工业产品体系大都排放大量的二氧化碳,人们试图在传统工业路线基础上进行二氧化碳的封存利用,实践证明在生产过程中排放大量CO2特别是大量低浓度CO2,再去捕集、封存、利用,往往得不偿失,也就是在实施过程中排放的二氧化碳大于所封存的二氧化碳。目前在CO2排放大户燃煤电厂进行CO2封存利用还没有经济可行的方法。在生产中直接将CO2作为原料来合成固碳量最高的产品是最好的CO2封存利用方法。

  利用煤化工生产系统中普遍存在的高纯度H2、CO2N2,反应生成CO2成分含量最高的三嗪醇是最清洁的煤化工利用路线之一。在此过程中没有NOX、SO2的生成,也不排放CO2。继续合成高分子材料也是一条低碳排放的工业材料路线,可以从碳减排角度,对各种工业材料路线进行考察,推广应用低碳、低成本的工业材料。

  二氧化碳减排与发展煤化工目前来说是矛盾的,为此,朱维群团队提出了零碳排放的煤炭清洁利用。

  降低煤化工二氧化碳排放的突破口是改变工艺流程,开展团队提出的零碳排放的煤炭清洁利用技术路线,这是降低煤化工碳排放的最有效方法之一,这是由煤炭的基本性质所决定的。基于煤制甲醇反应基础上的新型煤化工如煤制油、煤制天然气、煤制烯烃等工业路线都排放大量高纯度的CO2和N2

  如果将产品设计成二氧化碳含量最高的三嗪醇产品可形成二氧化碳零排放的煤炭清洁利用工业路线,从碳减排角度说,这应该是最佳的煤化工发展路线。据朱维群介绍,全球首套零碳排放的煤炭清洁利用开发路线即将二氧化碳直接封存到煤化工产品中的项目目前已经和企业合作进行研究示范,这一技术的成熟运用将有助于解决煤化工行业的二氧化碳排放难题。在国家节能减排的大环境下,作为碳排放大户的煤化工面临的减排压力在所难免,加快二氧化碳减排技术的创新、降低二氧化碳封存成本成为煤化工行业的重点。

  朱维群团队提出的零碳排放煤炭清洁利用技术开发路线不仅理论上可行,同时也有工程上的数据参考,而且也开展了固碳产品三嗪醇的高效利用。

  经过多年的研究开发,朱维群感到进展不尽如意,因为团队还没有争取到国家级的项目支持;与企业合作时企业首先关心的是工程化生产和产品利润问题,并不关心二氧化碳减排。国家的基础研究项目由国家基金委归口管理,国家科技部能否成立一个工程开发管理部门,联合国家知识产权局等单位,进行项目的申报、中试及技术推广工作。

  朱维群指出,如果国家出台关于碳排放这方面的硬性规定,现有煤化工企业将面临更大的成本压力。2015年煤化工行业的CO2排放量约为4.7亿吨,给我国碳减排带来压力。现在企业的环保投资,其实都没有考虑到碳减排的成本,像煤制天然气,如果征收碳税,每立方米天然气的成本将推高0.5元,这将是煤制天然气的“死穴”。全国统一碳排放权交易市场已于去年试运行,碳税也将推出,这势必增加煤化工项目投资成本,影响其综合竞争力。一旦碳税突破100元/吨,煤化工项目将难以承担,目前的低油价已经使现代煤化工企业盈利能力大为降低。

  给“二氧化碳”带上紧箍咒

  “将化石燃料碳氢化合物在一定工艺条件转化为CO2H2,将H2利用燃料电池发电; CO2进行封存利用(CCUS),被认为是化石燃料对环境友好的能源路线。”朱维群表示,将化石能源转变为清洁能源的氢能进行利用,同时将产生的二氧化碳直接封存做成产品,这样可形成环境友好的能源工业路线。

  氢燃料电池发电是具有能源革命意义的新一代能源动力系统,是一种可持续发展的能源,其能量转换率可达60%-80%,使用效率是普通内燃机的2-3倍。另外它还具有排气干净、噪音低、环境污染小、可靠性强及维修性好等优点。对于解决“能源短缺”和“环境污染”这两大世界难题有重要意义。

  氢气既可直接燃烧发电,也可采用氢燃料电池将化学能直接转化为电能,发电效率是现有热电效率的2倍以上,而且生成产物是水,这是最环保的能源利用方式。

  朱维群认为,氢作为清洁能源可以利用再生能源进行转换,也是解决“弃风弃光”的一种有效途径,将化石能源转变为氢清洁能源进行工业利用是解决全球气候变化及环境污染一条可行技术。

  传统能源利用方式有两大缺点,一是化石燃料中的化学能必需先转变成热能再转变成机械能或电能,但受材料的限制获得的能量效率只有33~35%。另外,传统能源利用方式给人们的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。

  但目前的二氧化碳捕集封存(CCS/CCUS)在国内外仍处于研发和示范阶段,面临着高成本、高能耗、长期安全性和可靠性不确定等突出问题。并且额外消耗能源,采用CCS技术增加了25%~40%的额外能耗,投资巨大且不具备经济效益。虽然二氧化碳驱油是目前比较好的CCUS方法,但驱油所用CO2大约会有2/3回到地表,因此CO2驱油只是短时效的CCUS项目,不能当作长期性的CCUS封存方法。

  目前在世界上也没有一条比较理想的二氧化碳化学封存利用技术路线。因此,山东大学提出了利用一部分H2与N2反应成NH3,NH3与CO2在一定工艺过程条件下得到CO2含量最高的稳定固体产品三嗪醇,剩余的H2再去发电的新技术。这项由山东大学开发的CO2化学利用新技术,可以在现有燃气电厂或燃煤电厂、煤制天然气及煤制油领域进行全部或部分二氧化碳的封存利用。

  据了解,生产1吨三嗪醇固体产品需要消耗1.0吨CO2,只需要原料氨0.4吨。从化学反应来说,这是封存利用CO2最有效的化学反应,也就是氢耗量(能量消耗)最少的固定CO2过程。三嗪醇产品是白色固体,无色无味,物理性质稳定,是CO2封存利用的一种最佳方式。每吨产品利润在1500元/吨以上,经济效益显著,市场应用前景广阔。

  目前在工业生产上,年产30万吨合成氨装置每年排放二氧化碳58万吨,在此装置基础上继续合成尿素,可以建立年产52万吨尿素装置,每年排放二氧化碳20万吨排放。“如果继续合成三嗪醇,根据团队的中试结果,可以建立年产66万吨的三嗪醇装置,每年排放CO2量为负的16万吨。”,也就是说,可设计成零碳排放的煤炭清洁利用路线。

  以煤制烯烃项目为例,该项目计划建设年产180万吨甲醇装置和年产68万吨甲醇制烯烃装置。该项目年副产二氧化碳 360万吨,N2130万吨,纯度都在95%以上。“经估算,年产68万吨烯烃可设计成年产380万吨的三嗪醇,产品重量增加312万吨,而且没有CO2排放。”

  合成高分子材料市场应用前景广阔

  现有煤化工,燃煤电厂、钢铁工业、电解铝、水泥等工业都排放大量的二氧化碳。化石燃料的工业利用可分为下列三种主要形式:(1)在空气中发生氧化反应生成二氧化碳是燃煤发电的主要反应;(2)铁矿石、铝矾土等在一定工艺条件下用碳还原同时生成二氧化碳是钢铁工业和电解铝工业的基础反应;(3)煤气化是煤化工的主要重要利用方式,由于煤炭中碳多氢少(C:H≈1:0.8),变换反应产生出二氧化碳。

  朱维群认为,当前,不仅火电厂排放大量的二氧化碳,传统工业如电解铝、钢铁、水泥、平板玻璃等也是高能耗、高排放工业体系,这对于我国的电力供应、资源消耗、大气质量及水体污染等造成了巨大的压力。据了解,我国传统制造业产能过剩,特别是电解铝、钢铁、水泥、平板玻璃等高能耗、高排放行业迫切需要产业结构调整,据统计,2012年底,我国钢铁、水泥、电解铝、平板玻璃产能利用率分别仅为72%、73.7%、71.9%、73.1%。

  “开发出一条低能耗、低排放的工业材料路线是解决我国CO2、SO2NOX排放的根本方法。在生产中尽可能地将CO2封存在产品中,在生产过程中不排放CO2,实际上这也是最好的CO2封存利用。”朱维群认为,在生产过程中排放大量CO2,再去捕集、封存、利用,往往得不偿失。

  朱维群说,由化石燃料转化为氨和二氧化碳,继续合成三嗪醇/胺,进而合成高分子材料是一条化石燃料环境友好的材料工业路线,它具有低碳、低成本的优势,发展潜力无限。

  按照设计的材料工业路线,将化石燃料在空气和水的参与下,通过一定工艺过程就可以得到三嗪类高分子材料,生产1吨产品只需要消耗化石燃料1吨标煤左右,这是一条符合绿色、低碳、可持续发展的生态工业路线。三嗪类高分子材料具有无毒无味,耐腐蚀、耐高温、耐低温、阻燃、质轻,有很强的耐用性等综合性能,在全球范围内的建筑装饰、交通车辆、水上船舶、航空航天、机电设备、工业吸音保温等领域中获得广泛使用。

  只有做好传承创新,才能让研究事业不断发展壮大。在教学方面,朱维群毫无保留地将自己的创新成果和研究经验传授给学生。在信息技术快速发展的时代,让学生怎样获取知识、鉴别真伪、找到知识的突破点和自己努力的方向是现代学校教育面临的主要问题,朱维群一直在这些方面进行探索。对于未来,他和他的团队将继往开来,通过不断创新研究,为我国煤炭清洁利用及以科学方法打赢“蓝天保卫战”做出更大的贡献。

  朱维群说,我们设计的化石燃料环境友好工业开发路线是我国大气雾霾治理、工业产业结构调整、应对全球气候变化及实现生态文明等最有效的一条技术途径。