曲旋：以科技創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攀升的背景下，一場以煤炭為“鑰匙”開啟天然氣自主供應大門的科技攻堅戰正在打響。近日，中國科學院山西煤炭化學研究所副研究員曲旋及其團隊成員，歷經數年攻克煤直接催化加氫氣化制天然氣技術難題，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新方案。

在能源安全“卡脖子”處發力

“目前，我國天然氣對外依存度已攀升至42.3%，天然氣供應‘卡脖子’的風險日益嚴峻。”談及項目背景時，曲旋這樣說道，“我國中低階煤炭資源儲量豐富且化學活性良好，是直接制取天然氣的優質理想原料。”在此情況下，發展煤制天然氣成為彌補天然氣供應缺口的有效途徑。然而，傳統煤制天然氣工藝多采用魯奇爐，該技術雖成熟，但存在諸多明顯缺陷，如對原料煤的要求苛刻、生產過程中會產生大量廢水且熱效率較低，這些問題導致生產成本居高不下。

曲旋團隊將研究方向聚焦于國際前沿的“直接催化加氫氣化”路線，試圖通過催化劑設計與反應機理創新，實現煤炭在溫和條件下定向轉化為甲烷。“我們的設計理念是：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。

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

技術路線雖清晰，實踐卻充滿挑戰。實驗中發現，即使在相對苛刻的反應條件下（850℃～1000℃；3MPa～5MPa）下，碳轉化率仍然較低（50%～60%），且剩余碳的高效利用較困難。為了攻克剩余碳高效轉化為甲烷的難題，曲旋帶領團隊開啟“白加黑”攻關模式：白天在實驗室調試反應參數和催化劑配方，晚上整理數據優化模型，累計完成超過2000組對比實驗。

“關鍵核心技術買不來、討不來，只能靠自己啃硬骨頭。”曲旋回憶道。經過不懈努力，發現煤與氫氣反應之所以轉化率低是因為煤結構在受熱過程中會逐漸向石墨化方向演變，進而降低碳與氫氣的反應速率；已經石墨化后的碳結構即使使用催化劑對碳氫反應速率的提升程度也比較有限。在認識清楚核心問題之后，解決問題的思路也就明朗了：利用催化劑延緩煤中碳結構的石墨化進程的同時提高碳氫氣化反應的速率。

最終曲旋團隊開發出了過渡金屬—堿土金屬復合催化劑，在相對溫和的條件下把催化劑直接負載在原煤上，可將煤的碳轉化率提高至92%，同時甲烷的收率也由31%提升至80%。該技術與水蒸氣氣化—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，在甲烷產率、經濟性、熱效率等方面優勢明顯。

用“工匠精神”打磨技術細節

技術突破僅是第一步，工業化應用才是終極目標。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，除了回研究所匯報工作，其他時間我就扎扎實實在爐子邊蹲守著，‘基本功’就是在那時練出來的。”

府谷縣的3年，曲旋不僅收獲了豐富的實踐經驗，也與當地煤炭企業建立了深厚的情誼，了解了他們的行業痛點與發展困境。

“正因為看到他們的不容易，我在做科研時會著重考慮兩個重要因素：一是技術的成熟性，二是投產后的經濟性。科研絕非僅是實驗室中那場追求完美的表演，其真正的使命在于攻克真實世界里紛繁復雜的難題。”秉持著這樣的理念，曲旋帶領團隊針對我國典型煤區（山西無煙煤、陜西長焰煤、內蒙古褐煤、淮南氣煤、準東低變質煤）的不同煤種，開展了系統性的試驗，依據優化后的原料粒度、反應時間和氣化溫度及氫壓等關鍵參數，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器型式，并根據氣化爐內顆粒的演變特性，優化了反應器結構。

為了進一步提高該技術的市場接受度，曲旋帶領團隊對煤催化加氫氣化整體工藝流程進行多次打磨、優化，提出了兩段爐工藝，并驗證了廉價混合氣代替純氫的可行性，降低甲烷生產成本的同時提高過程的經濟性。此外，團隊還開發了一套智能優化算法，能夠根據不同的原料特性和生產需求，自動優化反應爐的運行參數，實現整個氣化系統的高效、穩定運行。

讓技術創新經得起市場檢驗

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取的創新精神，又有著“老西兒”骨子里那種精打細算、務實節儉的“摳勁”。他心里十分清楚，能源技術唯有精準算好“經濟賬”“環境賬”“資源賬”，才能真正實現落地應用。為此，團隊專門構建了全生命周期評價體系，針對不同工藝路徑展開全面且細致的對比分析。

在經濟層面，催化加氫氣化技術展現出強大的降本增效能力與市場競爭力，該技術采用新疆地區的中低階煤作為原料，這種煤價格約為150元/噸，相比傳統工藝，成本降低了40%。在設備方面，以年產20億立方米甲烷的規模為例，使用傳統工藝需要10臺氣化爐反應器，采用該技術后，只需3臺即可滿足生產需要。而且，該技術合成的天然氣可直接接入西氣東輸天然氣管網，尤其適用于新疆等地。

在環境方面，該技術堅持綠色低碳發展理念，筑牢環保底線。通過優化反應路徑，單位產品的碳排放量較傳統煤制氣降低了45%；如果配套使用綠氫（由可再生能源制得的氫氣），甚至可以實現近零排放，有效減輕了對環境的污染。

在資源利用方面，該技術為盤活存量資源、保障能源安全提供了新途徑。我國中低階煤儲量占比較大，技術能夠將這些煤炭轉化為清潔的天然氣。按照當前的技術指標測算，年處理1億噸煤炭可生產400億立方米的天然氣，相當于替代進口液化天然氣（LNG）3000萬噸，可顯著提升我國的能源自給率。目前，研發團隊正在與多家企業洽談，計劃在陜北、內蒙古、新疆等地建設示范項目。曲旋還透露，下一代技術將聚焦于煤耦合生物質/CO2共催化加氫甲烷化新工藝，最終實現“負碳煤制天然氣”的目標。

這場由煤炭引發的能源變革，不僅關乎技術參數的優化，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當。當藍色的氣焰從反應器中噴薄而出時，我們看到的不僅是甲烷分子的重組，更是一個大國能源自主的希望之光。