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等离激元碳中和油气:实现碳中和的一条路径

日期:2021-03-24    来源:电建能源

国际节能环保网

2021
03/24
08:48
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关键词: 碳中和 碳排放 二氧化碳捕获

能源环境问题是当今人类社会面临的巨大挑战,我国能源结构“多煤贫油少气”,能源安全问题突出;“富煤”导致排放居高不下,减排责任任重道远。这严重影响了我国经济社会的绿色高质量发展,已经成为威胁中华民族永续发展的重大战略性问题。

我国已经宣布,将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,力争2030年前二氧化碳排放达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。为实现这一目标,需要打破传统减碳和能源发展观念,发展具有革命性、颠覆性和经济可持续的清洁能源技术。

以实现碳中和与绿色能源生产为目标,在捕获利用二氧化碳合成油气技术方面,欧美自2000年以来,通过大量研发投入,已形成四大流派,即电化学、热催化、生物催化和等离激元技术,以期实现经济可行的二氧化碳捕获与油气合成产业化解决方案。

巨大突破

受制于页岩油产业的兴旺,全球在合成油气技术方面虽做了大量前期研究,但一直未有大规模产业化,基本停留在实验室阶段。其中最有产业化前景的“等离激元碳中和油气技术”被以王琮博士为代表的中国留学生团队所掌握。该团队自2005年开始,在美国麻省大学经过六万多次实验,首次将等离激元技术应用到光热催化领域(美国能源局前期研发投入400多万美元),可以在常温常压环境中将二氧化碳和水分解为碳离子、氢离子和氧离子,为生成长链烷烃(油气产品)提供基础。该团队在世界范围内发表首篇论文,随后得到国内外知名研发机构的验证,包括哈佛大学,北京低碳研究所等。2015年相关技术被引进国内,于2016年成立北京光合新能科技有限公司,继续深入研发。

目前,该公司二氧化碳合成油气实验室已拥有国际一流的科学家团队30多人,主要由国外学成归来的年轻物理化学专家以及国内顶尖高校毕业的年轻科学家组成,且拥有等离激元光热催化二氧化碳合成多种燃料技术的国际独家专利权。公司于2020年10月,试制9台二氧化碳热催化合成油气反应器,安装在大唐集团七台河电厂合成燃油中试基地,并一次试车成功,每天利用电厂的废气(二氧化碳为主)和废热,产出烃类化合物20公斤。

光合新能公司通过该中试项目,初步完成以火电厂废气废热为原料和能源,催化合成油气产品所需的三大主系统和五大辅系统的工程化研发工作,三大主系统包括二氧化碳捕集提纯系统、二氧化碳催化反应系统、油气产物分离系统,五大辅系统包括电厂烟气收集系统、电厂余热收集系统、油气储存系统、动力及公共设施系统和物联网智慧信息管理控制系统。

等离激元热催化二氧化碳合成油气技术主要适用于大型火电厂、炼钢厂和化工厂等企业,直接利用其排放的废气(二氧化碳)和废热,通过热辐照激发热电子和局域强能量场(即等离激元效应),激活二氧化碳和水中的化学键,达到二氧化碳和水分子的裂解,分解后形成的碳、氢原子聚集在催化剂表面,再结合形成天然气和长链烷烃化合物(清洁燃料),可燃烷烃化合物可作为生产性能源再循环利用,或者加工成不含硫硝等杂质的清洁油气产品进入现有的油气加工、销售和消费体系。该公司下一步计划与“五大电力”合作,利用火电厂的废气废热,建设万吨级示范工程,并以示范工程为牵引,进一步完善和调优三大主系统和五大辅助系统,逐步推广形成对所有燃煤燃油燃气型生产企业所排放的二氧化碳的捕获利用,从而加快实现中国所承诺的碳达峰和碳中和目标。

颠覆性技术

该公司的另一个长远目标是利用等离激元光催化二氧化碳合成油气技术(人工光合),高效率捕获收集大气中的二氧化碳,并通过阳光辐照激发热电子和局域强能量场(即等离激元效应),激活二氧化碳和水中的化学键,达到二氧化碳和水分子的分解,分解后形成的碳、氢原子聚集在催化剂表面,再结合形成天然气和长链烷烃化合物(清洁燃料原料等),进一步可加工成油气产品和化工原料。该技术路径既能在不增加二氧化碳排放的前提下生产不含硫硝等杂质的清洁油气产品,充分化解我国贫油少气困境,又能充分保护现有的油气加工、销售和消费体系,是我国油气能源体系的一次绿色革命。

据该公司产业化团队测算,在决心和力度都足够的情况下,未来10-15年内,可在全国范围内建成约25-30亿吨二氧化碳捕获和催化合成装置及配套产业链,生产约7亿吨清洁能源(总烃),年产值约5.3万亿元,而综合成本不到页岩油技术的1/2。建成后,将直接吸收处理中国碳排放总量约20-25%的二氧化碳,而且可实现中国油气类能源和化工原材料的完全独立。

一项技术是否能够被广泛的应用、被产业化,并且产生较好的经济社会效用,要从多个维度进行观察和思考。

首先,其原理是否具有颠覆性和革命性。等离激元是本世纪在纳米材料科学跨越式发展基础上才完善的全新技术范式,具有广泛的产业应用场景;等离激元光热催化二氧化碳制备油气只是其典型应用之一。

其次,技术路径是否具有先进性和可行性。现在国际通行的碳氢产品制备技术是,先把二氧化碳分子键打开,再将水分子键打开,然后再链接化合,一般是两三步工业步骤。而等离激元碳中和油气技术是在一个反应设备中裂解与合成同步完成,一个动作肯定比多个动作节省能源,节省成本,这是全新的一套化工逻辑。

此外,要考虑原料和产品的供求规模。仅中国该技术产业的原料二氧化碳和产品油气,总量都是百亿吨,市场极其巨大。这国家经济社会发展的刚需。

该技术是等离激元催化领域的重大突破,代表了该领域国际领先水平,引领了等离激元催化技术潮流,该公司完全拥有的专利在世界范围内处于垄断地位,取得了多项创新。其大规模推广应用,将有助于吸收大量工业排放的二氧化碳或大气中的二氧化碳,利用太阳能或工业废热能催化合成汽油、天然气和化工原料,既能保护环境,又能实现能源和材料再生,对环保和能源领域具有颠覆性和革命性意义,将对人类产生重大、广泛和深远影响。


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