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            從億萬(wàn)年到半小時(shí)——我國(guó)生物炭高效制備及產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)紀(jì)實(shí)

            2024-08-05 12:18:27 來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)

            【創(chuàng)新故事】

            一竿竿新鮮的竹子,被破碎成5公分大小的竹片,送進(jìn)炭化爐。

            “出爐!”半小時(shí)后,隨著操作工的一聲號(hào)令,爐壁緩緩打開,烏黑光亮的竹炭從爐內(nèi)淌出,散發(fā)出特有的芳香……

            7月16日,科技日?qǐng)?bào)記者在安徽昊豐新能源科技有限公司生產(chǎn)車間里,與科研人員一起見證了這一奇跡的發(fā)生。

            “這是世界首套采用生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化技術(shù)生產(chǎn)生物炭的裝置,年產(chǎn)量可達(dá)5萬(wàn)噸?!蓖矍暗奶炕癄t,合肥工業(yè)大學(xué)教授邢獻(xiàn)軍激動(dòng)地說(shuō),“我們終于把生物質(zhì)變成了可持續(xù)資源!”

            大幅提升轉(zhuǎn)化率

            “如果沒(méi)有了化石能源,人類將如何應(yīng)對(duì)?”2009年,在一次國(guó)際能源學(xué)術(shù)會(huì)議上,邢獻(xiàn)軍和與會(huì)學(xué)者們圍繞這一話題展開了熱議。他回憶道,當(dāng)時(shí)大家普遍認(rèn)為,生物質(zhì)能源是最具潛力的替代方案。

            “生物質(zhì),通常是指通過(guò)光合作用而形成的各種有機(jī)體,包括所有動(dòng)植物和微生物,具有重要的能源和資源價(jià)值。”邢獻(xiàn)軍告訴記者,生物質(zhì)來(lái)源廣泛、可再生性強(qiáng),只要有陽(yáng)光、水分和二氧化碳等條件,生物質(zhì)就可以不斷地被生產(chǎn)出來(lái)。

            然而,彼時(shí)的生物質(zhì)利用方式大多局限于焚燒發(fā)電。在邢獻(xiàn)軍看來(lái),生物質(zhì)資源被這樣簡(jiǎn)單地?zé)簦粌H效率低下,也不夠環(huán)保。從那時(shí)起,他就將“生物質(zhì)資源化高效利用”作為自己的奮斗方向。

            當(dāng)時(shí),這還是個(gè)新事物,國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)處于一片空白。

            “賣炭翁,伐薪燒炭南山中……”千百年來(lái)沿用的制炭技術(shù),其本質(zhì)上是高溫?zé)峤夂偷蜏睾姹旱募夹g(shù)方法,炭轉(zhuǎn)化的得炭率僅在35%左右,而且污染嚴(yán)重。

            怎樣提高生物質(zhì)變成炭的轉(zhuǎn)化率?邢獻(xiàn)軍反復(fù)琢磨。

            2011年,邢獻(xiàn)軍離開長(zhǎng)期擔(dān)任高管的安徽皖能集團(tuán),來(lái)到合肥工業(yè)大學(xué),并牽頭組建了先進(jìn)能源技術(shù)與裝備研究院,開啟了用生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化方法高效制備生物炭技術(shù)研究攻關(guān)。

            然而,項(xiàng)目剛起步,就面臨諸多困難。資金不足,邢獻(xiàn)軍就把自己的全部積蓄填了進(jìn)去;團(tuán)隊(duì)缺人,他拉來(lái)之前課題組的同事并肩作戰(zhàn)……為了做試驗(yàn),他與當(dāng)?shù)匾患一S軟磨硬泡,硬是在那里建起了生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化的反應(yīng)爐。

            這年7月,世界首次通過(guò)催化轉(zhuǎn)化制備的生物炭,在合肥中鹽紅四方化工廠出爐?!半m然那次僅有500克炭,我的心情卻無(wú)比興奮?!毙汐I(xiàn)軍說(shuō)。

            緊接著,他們向提高效能、放大產(chǎn)量的目標(biāo)邁進(jìn)?!盀檎业缴镔|(zhì)炭化的最優(yōu)工藝參數(shù),光是各種實(shí)驗(yàn),就做過(guò)上萬(wàn)次。”回憶起那些不分晝夜做實(shí)驗(yàn)的日子,團(tuán)隊(duì)成員、合肥工業(yè)大學(xué)張學(xué)飛博士說(shuō)。

            其間,團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種“固溶分壓技術(shù)”,能夠?qū)⒎磻?yīng)中產(chǎn)生的含碳?xì)怏w,全部重新壓回到生物炭分子內(nèi)部,從而讓生物質(zhì)所含的碳元素全部轉(zhuǎn)化成炭,炭轉(zhuǎn)化率一舉提升到60%左右。這意味著,除去生物質(zhì)近40%固有的含水量外,其余組分幾乎全部被炭化了。

            找到“臨界能量點(diǎn)”

            “如何將生物質(zhì)億萬(wàn)年的炭化過(guò)程,縮短至數(shù)小時(shí)之內(nèi)?”邢獻(xiàn)軍要突破的最后一個(gè)障礙是時(shí)間,因?yàn)樘炕^(guò)程越長(zhǎng),能耗就越高。

            2013年,在團(tuán)隊(duì)著手建設(shè)年產(chǎn)5000噸生物炭中試示范項(xiàng)目時(shí),他們發(fā)現(xiàn),在實(shí)驗(yàn)室和中試規(guī)模下,生物炭品質(zhì)很穩(wěn)定;而一旦規(guī)模擴(kuò)大,在大型炭化爐內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn),生物質(zhì)傳熱和催化劑分布的不均勻性問(wèn)題就凸顯出來(lái)。這不僅影響炭化時(shí)間,導(dǎo)致能耗飆升,還出現(xiàn)了“夾生炭”的問(wèn)題。

            數(shù)百次實(shí)驗(yàn)之后,團(tuán)隊(duì)終于將炭化時(shí)間由7天縮短為1天。這一重要進(jìn)展,讓團(tuán)隊(duì)看到了希望,也堅(jiān)定了信心。

            “這是一場(chǎng)與時(shí)間和自我的賽跑。”團(tuán)隊(duì)中的在讀博士臧真娟說(shuō)。再一輪千百次實(shí)驗(yàn)之后,他們用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,找到了生物質(zhì)炭化過(guò)程相變的“臨界能量點(diǎn)”,從而設(shè)計(jì)出最優(yōu)催化劑,讓生物炭實(shí)現(xiàn)了可控制備。

            又是兩年多過(guò)去,團(tuán)隊(duì)迎來(lái)新突破——炭化時(shí)間縮短為12小時(shí)。

            此后,通過(guò)對(duì)催化劑組分、爐內(nèi)生物質(zhì)傳熱以及分子衍變機(jī)理等進(jìn)行理論分析、模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究,團(tuán)隊(duì)不斷優(yōu)化工藝,逐步將炭化時(shí)間縮短為1小時(shí)、42分鐘……

            最終,生物質(zhì)炭化過(guò)程縮短至30分鐘!生物炭的生產(chǎn)效率得到大幅提升,且生產(chǎn)過(guò)程幾乎實(shí)現(xiàn)零排放。

            2019年底,世界首臺(tái)日產(chǎn)100噸生物質(zhì)炭的炭化爐定型下線,實(shí)現(xiàn)了一爐一次制備1噸、年產(chǎn)5000噸生物炭的目標(biāo)。

            污泥也可變“黑金”

            邢獻(xiàn)軍團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室,實(shí)際上是一個(gè)占地?cái)?shù)千平方米的工業(yè)車間。這里陳列著團(tuán)隊(duì)各個(gè)階段研制的炭化爐,還有數(shù)控機(jī)床等機(jī)加工設(shè)備。

            “這些都是我們自己動(dòng)手造出來(lái)的。”邢獻(xiàn)軍說(shuō),每次工藝參數(shù)調(diào)整都得改設(shè)備。從加工農(nóng)作物秸稈的造粒機(jī)、毛竹破碎機(jī),到各種立式、臥式炭化爐,再到生物質(zhì)分級(jí)超焓燃燒鍋爐……這些設(shè)備都是他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的。

            “認(rèn)準(zhǔn)一件事,就要堅(jiān)持干到底?!笔嗄甑目蒲羞^(guò)程中,邢獻(xiàn)軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)獲得了無(wú)數(shù)獎(jiǎng)項(xiàng),發(fā)表了數(shù)百篇高水平論文。生物炭實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高效制備后,他們又把目光瞄向了利用生物炭制備碳基新材料的研究上。

            “理論上,所有的生物質(zhì)都可以作為制備生物炭的材料。其中,農(nóng)林廢棄物是較為理想的生物炭原料,秸稈、木屑甚至污泥等等,都是寶藏?!毙汐I(xiàn)軍說(shuō),廢棄物可以逆襲成為身價(jià)百倍的“黑金”。

            目前,團(tuán)隊(duì)已成功研發(fā)出超聲波生物炭活化裝置,使活性生物炭具備了更高的價(jià)值。利用生物炭制備的石墨材料、高性能鋰電池負(fù)極材料等儲(chǔ)能產(chǎn)品,已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,即將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

            在不久前召開的全國(guó)科技大會(huì)、國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)、兩院院士大會(huì)上,習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào),扎實(shí)推動(dòng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合,助力發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力。

            “我們將深入貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記重要講話精神,繼續(xù)瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)做科研,把論文寫在產(chǎn)品上,把研究做在工廠里,把成果轉(zhuǎn)化到市場(chǎng)中,為實(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)提供更多的清潔能源和可再生綠炭資源!”邢獻(xiàn)軍說(shuō)。

            [編輯: 趙文靜 審核:王小明 戎小平 ]
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