從億萬年到半小時
吳長鋒
一竿竿新鮮的竹子，被破碎成5公分大小的竹片，送進炭化爐。
“出爐!”半小時后，隨著操作工的一聲號令，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5萬噸。”望著眼前的炭化爐，合肥工業(yè)大學教授邢獻軍激動地說，“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，人類將如何應對？”2009年，在一次國際能源學術(shù)會議上，邢獻軍和與會學者們圍繞這一話題展開了熱議。他回憶道，當時大家普遍認為，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體，包括所有動植物和微生物，具有重要的能源和資源價值。”邢獻軍告訴記者，生物質(zhì)來源廣泛、可再生性強，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，彼時的生物質(zhì)利用方式大多局限于焚燒發(fā)電。在邢獻軍看來，生物質(zhì)資源被這樣簡單地燒掉，不僅效率低下，也不夠環(huán)保。從那時起，他就將“生物質(zhì)資源化高效利用”作為自己的奮斗方向。
當時，這還是個新事物，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)上是高溫熱解和低溫烘焙的技術(shù)方法，炭轉(zhuǎn)化的得炭率僅在35%左右，而且污染嚴重。
怎樣提高生物質(zhì)變成炭的轉(zhuǎn)化率？邢獻軍反復琢磨。
2011年，邢獻軍離開長期擔任高管的安徽皖能集團，來到合肥工業(yè)大學，并牽頭組建了先進能源技術(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，項目剛起步，就面臨諸多困難。資金不足，邢獻軍就把自己的全部積蓄填了進去；團隊缺人，他拉來之前課題組的同事并肩作戰(zhàn)……為了做試驗，他與當?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。”邢獻軍說。
緊接著，他們向提高效能、放大產(chǎn)量的目標邁進。“為找到生物質(zhì)炭化的最優(yōu)工藝參數(shù)，光是各種實驗，就做過上萬次。”回憶起那些不分晝夜做實驗的日子，團隊成員、合肥工業(yè)大學張學飛博士說。
其間，團隊研發(fā)出一種“固溶分壓技術(shù)”，能夠?qū)⒎磻挟a(chǎn)生的含碳氣體，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”
“如何將生物質(zhì)億萬年的炭化過程，縮短至數(shù)小時之內(nèi)？”邢獻軍要突破的最后一個障礙是時間，因為炭化過程越長，能耗就越高。
2013年，在團隊著手建設年產(chǎn)5000噸生物炭中試示范項目時，他們發(fā)現(xiàn)，在實驗室和中試規(guī)模下，生物炭品質(zhì)很穩(wěn)定；而一旦規(guī)模擴大，在大型炭化爐內(nèi)進行生產(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。這不僅影響炭化時間，導致能耗飆升，還出現(xiàn)了“夾生炭”的問題。
數(shù)百次實驗之后，團隊終于將炭化時間由7天縮短為1天。這一重要進展，讓團隊看到了希望，也堅定了信心。
“這是一場與時間和自我的賽跑。”團隊中的在讀博士臧真娟說。再一輪千百次實驗之后，他們用實驗和數(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”，從而設計出最優(yōu)催化劑，讓生物炭實現(xiàn)了可控制備。
又是兩年多過去，團隊迎來新突破——炭化時間縮短為12小時。
此后，通過對催化劑組分、爐內(nèi)生物質(zhì)傳熱以及分子衍變機理等進行理論分析、模擬計算和實驗研究，團隊不斷優(yōu)化工藝，逐步將炭化時間縮短為1小時、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)過程幾乎實現(xiàn)零排放。
2019年底，世界首臺日產(chǎn)100噸生物質(zhì)炭的炭化爐定型下線，實現(xiàn)了一爐一次制備1噸、年產(chǎn)5000噸生物炭的目標。
污泥也可變“黑金”
邢獻軍團隊的實驗室，實際上是一個占地數(shù)千平方米的工業(yè)車間。這里陳列著團隊各個階段研制的炭化爐，還有數(shù)控機床等機加工設備。
“這些都是我們自己動手造出來的。”邢獻軍說，每次工藝參數(shù)調(diào)整都得改設備。從加工農(nóng)作物秸稈的造粒機、毛竹破碎機，到各種立式、臥式炭化爐，再到生物質(zhì)分級超焓燃燒鍋爐……這些設備都是他帶領團隊自主研發(fā)的。
“認準一件事，就要堅持干到底。”十多年的科研過程中，邢獻軍帶領團隊獲得了無數(shù)獎項，發(fā)表了數(shù)百篇高水平論文。生物炭實現(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。”邢獻軍說，廢棄物可以逆襲成為身價百倍的“黑金”。
目前，團隊已成功研發(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值。利用生物炭制備的石墨材料、高性能鋰電池負極材料等儲能產(chǎn)品，已經(jīng)取得實質(zhì)性進展，即將實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
在不久前召開的全國科技大會、國家科學技術(shù)獎勵大會、兩院院士大會上，習近平總書記強調(diào)，扎實推動科技創(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習近平總書記重要講話精神，繼續(xù)瞄準產(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，為實現(xiàn)‘雙碳’目標提供更多的清潔能源和可再生綠炭資源!”邢獻軍說。
