從億萬年到半小時(shí)
吳長鋒
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，科技日報(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)5萬噸。”望著眼前的炭化爐，合肥工業(yè)大學(xué)教授邢獻(xiàn)軍激動(dòng)地說，“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
“如果沒有了化石能源，人類將如何應(yīng)對(duì)？”2009年，在一次國際能源學(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)來源廣泛、可再生性強(qiáng)，只要有陽光、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。
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，生物質(zhì)資源被這樣簡單地?zé)�，不僅效率低下，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)軍離開長期擔(dān)任高管的安徽皖能集團(tuán)，來到合肥工業(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，世界首次通過催化轉(zhuǎn)化制備的生物炭，在合肥中鹽紅四方化工廠出爐。“雖然那次僅有500克炭，我的心情卻無比興奮。”邢獻(xiàn)軍說。
緊接著，他們向提高效能、放大產(chǎn)量的目標(biāo)邁進(jìn)。“為找到生物質(zhì)炭化的最優(yōu)工藝參數(shù)，光是各種實(shí)驗(yàn)，就做過上萬次。”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。
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)億萬年的炭化過程，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^程越長，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題就凸顯出來。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。
“這是一場與時(shí)間和自我的賽跑。”團(tuán)隊(duì)中的在讀博士臧真娟說。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。
又是兩年多過去，團(tuán)隊(duì)迎來新突破——炭化時(shí)間縮短為12小時(shí)。
此后，通過對(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)手造出來的。”邢獻(xiàn)軍說，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。”十多年的科研過程中，邢獻(xiàn)軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)獲得了無數(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。”邢獻(xiàn)軍說，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科技大會(huì)、國家科學(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。
