“雙碳”大考:下好科技“先手棋”

文章來源:中國科學(xué)報(bào)馮麗妃2022-03-09 09:03

“有序推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和工作。落實(shí)碳達(dá)峰行動方案。”2022年政府工作報(bào)告再次吹響向“雙碳”目標(biāo)邁進(jìn)的號角。
 
這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)離不開科技支撐。作為國家戰(zhàn)略科技力量,中國科學(xué)院近日公布科技支撐“雙碳”戰(zhàn)略行動計(jì)劃,眾多關(guān)鍵核心技術(shù)出現(xiàn)在其中。
 
作為國家戰(zhàn)略科技力量的主力軍,中科院有哪些現(xiàn)成的“雙碳”技術(shù)寶藏可挖呢?兩會期間,《中國科學(xué)報(bào)》分別連線了中科院位于西北、中部和東部地區(qū)研究所的三位院士,了解他們圍繞“碳”字正在開展的工作。
 
周衛(wèi)健·研究所坐標(biāo)西安
 
固廢“吃干榨凈” 支撐循環(huán)經(jīng)濟(jì)
 
“實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的進(jìn)程中,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)十分重要。其中,固體廢物污染治理是一個(gè)重點(diǎn)方向。”兩會期間,全國人大代表、中科院地球環(huán)境研究所研究員周衛(wèi)健院士對《中國科學(xué)報(bào)》說。
 
尾礦治理是我國礦山資源開發(fā)中一塊“難啃的骨頭”。周衛(wèi)健介紹,由于我國大多數(shù)礦山礦石品位低、組分復(fù)雜,加之生產(chǎn)技術(shù)落后,開采出的礦石80%以上都變成了尾礦,年均碳排放量14億噸,固體廢物累積堆存量高達(dá)200多億噸。同時(shí),尾礦資源綜合回收率只有約30%,綜合利用率不到20%,且空場充填占利用總量的53%,其資源化高附加值利用量微乎其微。
 
事實(shí)上,礦業(yè)固廢中氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀等主量元素占比高達(dá)90%以上。“解決了主量元素分離提取利用問題,就相當(dāng)于90%以上的固廢實(shí)現(xiàn)了無害化、減量化和資源化。”周衛(wèi)健說。
 
基于長期的基礎(chǔ)研究,她和團(tuán)隊(duì)將地球化學(xué)和冶金學(xué)交叉融合,提出可實(shí)現(xiàn)“取沙留金”的新理念并開發(fā)出一種催化劑,可分離尾礦的主量元素和微量元素,有助實(shí)現(xiàn)礦山固廢的全量資源化。
 
去年,研究團(tuán)隊(duì)把相關(guān)技術(shù)帶到企業(yè),用爐渣(水淬渣)進(jìn)行了一個(gè)多月的“拉練”。他們發(fā)現(xiàn),在工業(yè)試驗(yàn)中使用新型催化劑,在僅需250℃(相當(dāng)于礦石冶煉1/5的溫度)的情況下,就能把固廢全部分離提取為有價(jià)值的產(chǎn)品,資源再利用率達(dá)到90%以上。這種方式不僅可以把尾礦“吃干榨凈”,還可以覆蓋資源回收轉(zhuǎn)化成本,每噸凈賺450元。
 
尾礦所得的主要產(chǎn)品如硅膠、水玻璃、保水劑、凈水劑等,不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍工和日常生活領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,更是能源、煤化工、石油化工、有色冶金等各類工業(yè)基地污水治理、凈化的主要原料,也是大范圍實(shí)現(xiàn)水土保持、固沙固土和生態(tài)恢復(fù)治理的有用產(chǎn)品。
 
下一步,周衛(wèi)健希望把相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到陜西白河縣硫鐵礦廢棄礦渣綜合利用中。該礦區(qū)屬于歷史遺留廢棄礦山,污染礦區(qū)點(diǎn)多面廣,對漢江水源造成污染,引起國家相關(guān)部門的重視。
 
同時(shí),周衛(wèi)健表示,當(dāng)前礦山廢棄物全量資源化的治理仍然存在一些難題。由于相關(guān)治理技術(shù)開發(fā)難度大、費(fèi)用高,前期只有投入沒有產(chǎn)出,導(dǎo)致企業(yè)參與的積極性不高,許多關(guān)停的礦區(qū)更是無力處理固廢尾礦。
 
對此,她建議,加大政策支持與資金投入力度,促進(jìn)新技術(shù)開發(fā);設(shè)立固廢全量資源化技術(shù)試點(diǎn)基地,擴(kuò)大推廣速度;引入社會資本,建立多元化投入渠道;采取“誰投資誰受益”的原則,通過稅收優(yōu)惠等政策措施,鼓勵(lì)民營資本進(jìn)入相關(guān)試點(diǎn)領(lǐng)域。
 
李燦·研究所坐標(biāo)大連
 
開發(fā)“液態(tài)陽光” 助力能源自立
 
“液態(tài)陽光儲能方法應(yīng)用起來成本是不是偏高?”
 
這可能是全國政協(xié)委員、中科院大連化學(xué)物理研究所研究員李燦院士聽到最多的問題,每一次他都會耐心地解釋。
 
“現(xiàn)在液態(tài)陽光的成本已經(jīng)處在與其他能源日趨接近的交叉點(diǎn)上了。隨著相關(guān)技術(shù)的日趨成熟和可再生能源占比的提高,它的價(jià)格還會一路往下走,最終一定會贏。”李燦告訴《中國科學(xué)報(bào)》,液態(tài)陽光最大的一個(gè)特點(diǎn)就是“道法自然”,不受制于外界資源因素。
 
他解釋說,液態(tài)陽光本質(zhì)上是用甲醇的形式實(shí)現(xiàn)太陽能的儲存、運(yùn)輸和利用。實(shí)現(xiàn)液態(tài)陽光分為兩個(gè)步驟:由太陽能等清潔能源分解水制作“綠氫”;再由綠氫和二氧化碳反應(yīng),生成甲醇或其他燃料和化學(xué)品。這一循環(huán)在實(shí)現(xiàn)減碳的同時(shí),還具有消納剩余新能源的作用。
 
李燦和團(tuán)隊(duì)發(fā)展了高活性的固溶體催化劑,可以高效生成甲醇。目前已在甘肅蘭州建成了全球首套千噸級液態(tài)陽光合成的規(guī)?;痉豆こ?,正在開展十萬噸級的液態(tài)陽光工業(yè)化。
 
在他看來,液態(tài)陽光可能孕育了一場重大的能源革命,它能替代化石能源,最大程度減少碳排放,幫助人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。他給記者算了一筆賬:“一噸甲醇相當(dāng)于消納6000多度電,一個(gè)規(guī)模為100萬噸甲醇級別的中型企業(yè)就能消納60億度電,儲能潛力巨大。”
 
同時(shí),與業(yè)界看重的氫能相比,液態(tài)陽光具有運(yùn)輸安全、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn),而且其應(yīng)用面非常廣,當(dāng)前發(fā)展如火如荼的新能源車就是應(yīng)用目標(biāo)之一。“綠色甲醇就像汽油一樣可以用于汽車的內(nèi)燃機(jī)燃燒,但它排放的是水和氫,非常環(huán)保。”李燦表示,相關(guān)技術(shù)已經(jīng)十分成熟。
 
在工信部發(fā)布的《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》中,甲醇汽車已被納入綠色產(chǎn)品,該規(guī)劃還提出要促進(jìn)甲醇汽車等替代燃料汽車推廣。“從戰(zhàn)略資源角度考慮,假如所有的汽油都用甲醇來代替,我國石油進(jìn)口的問題就能大大減少,國家能源安全就沒有那么大的風(fēng)險(xiǎn)。”李燦說,而如果采用甲醇作為燃料,新能源汽車發(fā)展也將無懼鋰資源的制約。
 
目前工業(yè)領(lǐng)域甲醇產(chǎn)能每年約9000萬噸,如果用液態(tài)陽光甲醇來代替,就可以減少二氧化碳排放1.2億噸以上。李燦表示,十萬、數(shù)十萬噸綠色甲醇制造已經(jīng)起步。“樂觀預(yù)測,2030年其減碳貢獻(xiàn)份額將進(jìn)一步增大。”他說。
 
韓布興·研究所坐標(biāo)北京
 
廣泛布局多點(diǎn)開花 碳資源華麗變身
 
二氧化碳、生物質(zhì)、廢舊塑料轉(zhuǎn)化、廚余垃圾資源化利用……近些年,相關(guān)研究是中科院化學(xué)研究所研究員韓布興院士及其團(tuán)隊(duì)的研究重心。
 
按他的話說,這些方向看似五花八門,但同屬綠色化學(xué)范疇,都與一個(gè)“碳”字相關(guān)。“化學(xué)是一門創(chuàng)造物質(zhì)的科學(xué)。這些研究的本質(zhì)都是如何將含碳物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化利用的問題。”他對《中國科學(xué)報(bào)》說。
 
“無中生有”,將全球主要溫室氣體二氧化碳固定在一種可利用的產(chǎn)品中是當(dāng)前國際研究熱點(diǎn)。用二氧化碳制備一氧化碳、甲醇、乙醇、烯烴、烷烴、羧酸……韓布興的實(shí)驗(yàn)室正在拓展二氧化碳“變身”各種重要化學(xué)品和燃料的新路線。
 
以二氧化碳加氫制乙醇和液態(tài)烴為例,韓布興表示,這種液體燃料與氫能相比,無論運(yùn)輸、儲藏還是使用都更具安全性。針對二氧化碳轉(zhuǎn)化利用過程中涉及到的熱力學(xué)和動力學(xué)問題,他和團(tuán)隊(duì)還把物理化學(xué)和綠色化學(xué)研究相結(jié)合,設(shè)計(jì)了多種高效催化材料和綠色溶劑,提高轉(zhuǎn)化速率。
 
“現(xiàn)在化石資源的利用導(dǎo)致全球每年排放約350億噸二氧化碳,而全球二氧化碳資源化利用剛超過1億噸。下一步往前推,難度挺大。”韓布興表示,只有把相關(guān)研究產(chǎn)業(yè)化的面拓寬,未來二氧化碳利用量才會更大。
 
這正是他在不同方向廣泛布局的一個(gè)原因。在碳中和的一個(gè)重要方向——生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用方面,該團(tuán)隊(duì)也“多面開花”,如生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成苯(基本化工原料)、苯酚(樹脂、殺菌劑、防腐劑以及藥物的重要原料)、環(huán)己酮(可溶解硝酸纖維素、涂料、油漆等)、生物質(zhì)炭等。
 
韓布興團(tuán)隊(duì)正在與河北唐山一家公司合作,利用秸稈、林業(yè)廢棄物等制作生物質(zhì)炭。據(jù)介紹,生物質(zhì)熱解后的主要產(chǎn)物是固體的生物質(zhì)炭、有機(jī)物液體和可燃?xì)怏w,整個(gè)過程沒有污染。加工而成的生物質(zhì)炭以一定比例與煤炭混合使用,可以使煤炭充分燃燒,減少污染。
 
“現(xiàn)在(生物質(zhì)炭)主要用于民用和中小型鍋爐,未來將力爭推廣到鋼鐵和火電等行業(yè),這樣可大幅提高生物質(zhì)用量,降低污染。”韓布興說。
 
不僅如此,針對國內(nèi)大量廢舊塑料帶來的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)問題,該團(tuán)隊(duì)與企業(yè)合作讓廢舊塑料轉(zhuǎn)變?yōu)橛汀a槍值牟蛷N垃圾問題,該團(tuán)隊(duì)正在和企業(yè)合作將其變成有機(jī)肥等。此外,他們還開發(fā)一系列綠色溶劑,替代現(xiàn)有碳資源轉(zhuǎn)化中使用的揮發(fā)性溶劑,提高反應(yīng)效率和清潔度。
 
“作為‘國家隊(duì)’‘國家人’,必須心系‘國家事’、肩扛‘國家責(zé)’。最近中科院提出的科技支撐‘雙碳’戰(zhàn)略行動計(jì)劃非常好。”韓布興說,“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)系統(tǒng)工程,需要能源革命、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、人類生產(chǎn)生活方式的變革??茖W(xué)技術(shù)的重大進(jìn)步是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要保障,需要“實(shí)實(shí)在在的努力”。
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