曲旋：以科技創(chuàng)新筑牢能源安全防線

在全球能源格局深刻變革、我國天然氣對外依存度持續(xù)攀升的背景下，一場以煤炭為“鑰匙”開啟天然氣自主供應(yīng)大門的科技攻堅(jiān)戰(zhàn)正在打響。近日，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所副研究員曲旋及其團(tuán)隊(duì)成員，歷經(jīng)數(shù)年攻克煤直接催化加氫氣化制天然氣技術(shù)難題，不僅為中低階煤炭資源化利用開辟新路徑，也為緩解我國能源安全困境提供了創(chuàng)新方案。

在能源安全“卡脖子”處發(fā)力

“目前，我國天然氣對外依存度已攀升至42.3%，天然氣供應(yīng)‘卡脖子’的風(fēng)險(xiǎn)日益嚴(yán)峻。”談及項(xiàng)目背景時(shí)，曲旋這樣說道，“我國中低階煤炭資源儲(chǔ)量豐富且化學(xué)活性良好，是直接制取天然氣的優(yōu)質(zhì)理想原料。”在此情況下，發(fā)展煤制天然氣成為彌補(bǔ)天然氣供應(yīng)缺口的有效途徑。然而，傳統(tǒng)煤制天然氣工藝多采用魯奇爐，該技術(shù)雖成熟，但存在諸多明顯缺陷，如對原料煤的要求苛刻、生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量廢水且熱效率較低，這些問題導(dǎo)致生產(chǎn)成本居高不下。

曲旋團(tuán)隊(duì)將研究方向聚焦于國際前沿的“直接催化加氫氣化”路線，試圖通過催化劑設(shè)計(jì)與反應(yīng)機(jī)理創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)煤炭在溫和條件下定向轉(zhuǎn)化為甲烷。“我們的設(shè)計(jì)理念是：生成甲烷的路徑越短，熱效率、甲烷收率越高、成本越低。”曲旋解釋道。

傳統(tǒng)工藝中，煤炭需先氣化為合成氣，再通過甲烷化反應(yīng)生成甲烷，能量損耗大且副產(chǎn)物多。而直接加氫氣化技術(shù)，使煤炭與氫氣一定條件下直接反應(yīng)生成甲烷，理論甲烷收率可達(dá)90%以上。

技術(shù)路線雖清晰，實(shí)踐卻充滿挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，即使在相對苛刻的反應(yīng)條件下（850℃～1000℃；3MPa～5MPa）下，碳轉(zhuǎn)化率仍然較低（50%～60%），且剩余碳的高效利用較困難。為了攻克剩余碳高效轉(zhuǎn)化為甲烷的難題，曲旋帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開啟“白加黑”攻關(guān)模式：白天在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試反應(yīng)參數(shù)和催化劑配方，晚上整理數(shù)據(jù)優(yōu)化模型，累計(jì)完成超過2000組對比實(shí)驗(yàn)。

“關(guān)鍵核心技術(shù)買不來、討不來，只能靠自己啃硬骨頭。”曲旋回憶道。經(jīng)過不懈努力，發(fā)現(xiàn)煤與氫氣反應(yīng)之所以轉(zhuǎn)化率低是因?yàn)槊航Y(jié)構(gòu)在受熱過程中會(huì)逐漸向石墨化方向演變，進(jìn)而降低碳與氫氣的反應(yīng)速率；已經(jīng)石墨化后的碳結(jié)構(gòu)即使使用催化劑對碳?xì)浞磻?yīng)速率的提升程度也比較有限。在認(rèn)識(shí)清楚核心問題之后，解決問題的思路也就明朗了：利用催化劑延緩煤中碳結(jié)構(gòu)的石墨化進(jìn)程的同時(shí)提高碳?xì)錃饣磻?yīng)的速率。

最終曲旋團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了過渡金屬—堿土金屬復(fù)合催化劑，在相對溫和的條件下把催化劑直接負(fù)載在原煤上，可將煤的碳轉(zhuǎn)化率提高至92%，同時(shí)甲烷的收率也由31%提升至80%。該技術(shù)與水蒸氣氣化—合成氣甲烷化兩步法、煤水蒸氣催化氣化法、煤加氫氣化法等其他主流路徑相比，在甲烷產(chǎn)率、經(jīng)濟(jì)性、熱效率等方面優(yōu)勢明顯。

用“工匠精神”打磨技術(shù)細(xì)節(jié)

技術(shù)突破僅是第一步，工業(yè)化應(yīng)用才是終極目標(biāo)。這背后是常人難以想象的艱辛。曲旋讀博期間，曾于2006～2008年在陜西省府谷縣待了3年，他回憶道：“那3年，除了回研究所匯報(bào)工作，其他時(shí)間我就扎扎實(shí)實(shí)在爐子邊蹲守著，‘基本功’就是在那時(shí)練出來的。”

府谷縣的3年，曲旋不僅收獲了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也與當(dāng)?shù)孛禾科髽I(yè)建立了深厚的情誼，了解了他們的行業(yè)痛點(diǎn)與發(fā)展困境。

“正因?yàn)榭吹剿麄兊牟蝗菀祝以谧隹蒲袝r(shí)會(huì)著重考慮兩個(gè)重要因素：一是技術(shù)的成熟性，二是投產(chǎn)后的經(jīng)濟(jì)性。科研絕非僅是實(shí)驗(yàn)室中那場追求完美的表演，其真正的使命在于攻克真實(shí)世界里紛繁復(fù)雜的難題。”秉持著這樣的理念，曲旋帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)針對我國典型煤區(qū)（山西無煙煤、陜西長焰煤、內(nèi)蒙古褐煤、淮南氣煤、準(zhǔn)東低變質(zhì)煤）的不同煤種，開展了系統(tǒng)性的試驗(yàn)，依據(jù)優(yōu)化后的原料粒度、反應(yīng)時(shí)間和氣化溫度及氫壓等關(guān)鍵參數(shù)，確定了加壓流化床作為煤催化加氫氣化制甲烷過程的適宜反應(yīng)器型式，并根據(jù)氣化爐內(nèi)顆粒的演變特性，優(yōu)化了反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。

為了進(jìn)一步提高該技術(shù)的市場接受度，曲旋帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對煤催化加氫氣化整體工藝流程進(jìn)行多次打磨、優(yōu)化，提出了兩段爐工藝，并驗(yàn)證了廉價(jià)混合氣代替純氫的可行性，降低甲烷生產(chǎn)成本的同時(shí)提高過程的經(jīng)濟(jì)性。此外，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一套智能優(yōu)化算法，能夠根據(jù)不同的原料特性和生產(chǎn)需求，自動(dòng)優(yōu)化反應(yīng)爐的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)氣化系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

讓技術(shù)創(chuàng)新經(jīng)得起市場檢驗(yàn)

曲旋是土生土長的山西人，他身上既具備科技工作者銳意進(jìn)取的創(chuàng)新精神，又有著“老西兒”骨子里那種精打細(xì)算、務(wù)實(shí)節(jié)儉的“摳勁”。他心里十分清楚，能源技術(shù)唯有精準(zhǔn)算好“經(jīng)濟(jì)賬”“環(huán)境賬”“資源賬”，才能真正實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用。為此，團(tuán)隊(duì)專門構(gòu)建了全生命周期評價(jià)體系，針對不同工藝路徑展開全面且細(xì)致的對比分析。

在經(jīng)濟(jì)層面，催化加氫氣化技術(shù)展現(xiàn)出強(qiáng)大的降本增效能力與市場競爭力，該技術(shù)采用新疆地區(qū)的中低階煤作為原料，這種煤價(jià)格約為150元/噸，相比傳統(tǒng)工藝，成本降低了40%。在設(shè)備方面，以年產(chǎn)20億立方米甲烷的規(guī)模為例，使用傳統(tǒng)工藝需要10臺(tái)氣化爐反應(yīng)器，采用該技術(shù)后，只需3臺(tái)即可滿足生產(chǎn)需要。而且，該技術(shù)合成的天然氣可直接接入西氣東輸天然氣管網(wǎng)，尤其適用于新疆等地。

在環(huán)境方面，該技術(shù)堅(jiān)持綠色低碳發(fā)展理念，筑牢環(huán)保底線。通過優(yōu)化反應(yīng)路徑，單位產(chǎn)品的碳排放量較傳統(tǒng)煤制氣降低了45%；如果配套使用綠氫（由可再生能源制得的氫氣），甚至可以實(shí)現(xiàn)近零排放，有效減輕了對環(huán)境的污染。

在資源利用方面，該技術(shù)為盤活存量資源、保障能源安全提供了新途徑。我國中低階煤儲(chǔ)量占比較大，技術(shù)能夠?qū)⑦@些煤炭轉(zhuǎn)化為清潔的天然氣。按照當(dāng)前的技術(shù)指標(biāo)測算，年處理1億噸煤炭可生產(chǎn)400億立方米的天然氣，相當(dāng)于替代進(jìn)口液化天然氣（LNG）3000萬噸，可顯著提升我國的能源自給率。目前，研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在與多家企業(yè)洽談，計(jì)劃在陜北、內(nèi)蒙古、新疆等地建設(shè)示范項(xiàng)目。曲旋還透露，下一代技術(shù)將聚焦于煤耦合生物質(zhì)/CO2共催化加氫甲烷化新工藝，最終實(shí)現(xiàn)“負(fù)碳煤制天然氣”的目標(biāo)。

這場由煤炭引發(fā)的能源變革，不僅關(guān)乎技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化，更承載著中國科技工作者突破資源約束、保障能源安全的使命擔(dān)當(dāng)。當(dāng)藍(lán)色的氣焰從反應(yīng)器中噴薄而出時(shí)，我們看到的不僅是甲烷分子的重組，更是一個(gè)大國能源自主的希望之光。