2024年08月05日 星期一
从亿万年到半小时
——我国生物炭高效制备及产业化攻关纪实

    【创新故事】

    ◎本报记者 吴长锋

    一竿竿新鲜的竹子,被破碎成5公分大小的竹片,送进炭化炉。

    “出炉!”半小时后,随着操作工的一声号令,炉壁缓缓打开,乌黑光亮的竹炭从炉内淌出,散发出特有的芳香……

    7月16日,科技日报记者在安徽昊丰新能源科技有限公司生产车间里,与科研人员一起见证了这一奇迹的发生。

    “这是世界首套采用生物质催化转化技术生产生物炭的装置,年产量可达5万吨。”望着眼前的炭化炉,合肥工业大学教授邢献军激动地说,“我们终于把生物质变成了可持续资源!”

    大幅提升转化率

    “如果没有了化石能源,人类将如何应对?”2009年,在一次国际能源学术会议上,邢献军和与会学者们围绕这一话题展开了热议。他回忆道,当时大家普遍认为,生物质能源是最具潜力的替代方案。

    “生物质,通常是指通过光合作用而形成的各种有机体,包括所有动植物和微生物,具有重要的能源和资源价值。”邢献军告诉记者,生物质来源广泛、可再生性强,只要有阳光、水分和二氧化碳等条件,生物质就可以不断地被生产出来。

    然而,彼时的生物质利用方式大多局限于焚烧发电。在邢献军看来,生物质资源被这样简单地烧掉,不仅效率低下,也不够环保。从那时起,他就将“生物质资源化高效利用”作为自己的奋斗方向。

    当时,这还是个新事物,国内外相关技术处于一片空白。

    “卖炭翁,伐薪烧炭南山中……”千百年来沿用的制炭技术,其本质上是高温热解和低温烘焙的技术方法,炭转化的得炭率仅在35%左右,而且污染严重。

    怎样提高生物质变成炭的转化率?邢献军反复琢磨。

    2011年,邢献军离开长期担任高管的安徽皖能集团,来到合肥工业大学,并牵头组建了先进能源技术与装备研究院,开启了用生物质催化转化方法高效制备生物炭技术研究攻关。

    然而,项目刚起步,就面临诸多困难。资金不足,邢献军就把自己的全部积蓄填了进去;团队缺人,他拉来之前课题组的同事并肩作战……为了做试验,他与当地一家化工厂软磨硬泡,硬是在那里建起了生物质催化转化的反应炉。

    这年7月,世界首次通过催化转化制备的生物炭,在合肥中盐红四方化工厂出炉。“虽然那次仅有500克炭,我的心情却无比兴奋。”邢献军说。

    紧接着,他们向提高效能、放大产量的目标迈进。“为找到生物质炭化的最优工艺参数,光是各种实验,就做过上万次。”回忆起那些不分昼夜做实验的日子,团队成员、合肥工业大学张学飞博士说。

    其间,团队研发出一种“固溶分压技术”,能够将反应中产生的含碳气体,全部重新压回到生物炭分子内部,从而让生物质所含的碳元素全部转化成炭,炭转化率一举提升到60%左右。这意味着,除去生物质近40%固有的含水量外,其余组分几乎全部被炭化了。

    找到“临界能量点”

    “如何将生物质亿万年的炭化过程,缩短至数小时之内?”邢献军要突破的最后一个障碍是时间,因为炭化过程越长,能耗就越高。

    2013年,在团队着手建设年产5000吨生物炭中试示范项目时,他们发现,在实验室和中试规模下,生物炭品质很稳定;而一旦规模扩大,在大型炭化炉内进行生产,生物质传热和催化剂分布的不均匀性问题就凸显出来。这不仅影响炭化时间,导致能耗飙升,还出现了“夹生炭”的问题。

    数百次实验之后,团队终于将炭化时间由7天缩短为1天。这一重要进展,让团队看到了希望,也坚定了信心。

    “这是一场与时间和自我的赛跑。”团队中的在读博士臧真娟说。再一轮千百次实验之后,他们用实验和数值模拟相结合的方法,找到了生物质炭化过程相变的“临界能量点”,从而设计出最优催化剂,让生物炭实现了可控制备。

    又是两年多过去,团队迎来新突破——炭化时间缩短为12小时。

    此后,通过对催化剂组分、炉内生物质传热以及分子衍变机理等进行理论分析、模拟计算和实验研究,团队不断优化工艺,逐步将炭化时间缩短为1小时、42分钟……

    最终,生物质炭化过程缩短至30分钟!生物炭的生产效率得到大幅提升,且生产过程几乎实现零排放。

    2019年底,世界首台日产100吨生物质炭的炭化炉定型下线,实现了一炉一次制备1吨、年产5000吨生物炭的目标。

    污泥也可变“黑金”

    邢献军团队的实验室,实际上是一个占地数千平方米的工业车间。这里陈列着团队各个阶段研制的炭化炉,还有数控机床等机加工设备。

    “这些都是我们自己动手造出来的。”邢献军说,每次工艺参数调整都得改设备。从加工农作物秸秆的造粒机、毛竹破碎机,到各种立式、卧式炭化炉,再到生物质分级超焓燃烧锅炉……这些设备都是他带领团队自主研发的。

    “认准一件事,就要坚持干到底。”十多年的科研过程中,邢献军带领团队获得了无数奖项,发表了数百篇高水平论文。生物炭实现大规模高效制备后,他们又把目光瞄向了利用生物炭制备碳基新材料的研究上。

    “理论上,所有的生物质都可以作为制备生物炭的材料。其中,农林废弃物是较为理想的生物炭原料,秸秆、木屑甚至污泥等等,都是宝藏。”邢献军说,废弃物可以逆袭成为身价百倍的“黑金”。

    目前,团队已成功研发出超声波生物炭活化装置,使活性生物炭具备了更高的价值。利用生物炭制备的石墨材料、高性能锂电池负极材料等储能产品,已经取得实质性进展,即将实现产业化。

    在不久前召开的全国科技大会、国家科学技术奖励大会、两院院士大会上,习近平总书记强调,扎实推动科技创新和产业创新深度融合,助力发展新质生产力。

    “我们将深入贯彻落实习近平总书记重要讲话精神,继续瞄准产业做科研,把论文写在产品上,把研究做在工厂里,把成果转化到市场中,为实现‘双碳’目标提供更多的清洁能源和可再生绿炭资源!”邢献军说。

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