西安交通大学教授郭烈锦(右三)和团队成员在实验室讨论科研进展(资料照片)。 本版照片均由本报记者 张梅摄

本报记者 张梅

煤炭、石油、天然气等传统碳基能源仍是当前全球能源主体。然而,传统燃烧和气化方式能效偏低,且排放大量污染物及二氧化碳等温室气体。如何将已有碳基能源高效、洁净、低碳地转化利用,促进传统能源和新能源协同发展,保障能源安全、支撑绿色可持续发展,是我国面临的重大战略需求。

中国科学院院士、西安交通大学教授郭烈锦带领团队,历时20余年攻克了全球数十年未能突破的煤炭温和高效气化、低成本低碳清洁利用难题,为我国化石能源绿色低碳转型和能源安全自主可控提供了核心支撑。团队完成的“碳基能源的超临界水蒸有序转化理论与方法”项目,荣获国家自然科学奖二等奖。

这一原创成果的种子,萌发于一次跨洋考察。1997年,郭烈锦受邀参加国家自然科学基金委员会组织的能源高技术出国考察团,赴欧美国家学习先进能源技术。郭烈锦回忆,当时我国正步入工业快速发展期,发达国家正在探索生物质废弃物的超临界水气化技术,既能提升转化效率,又能减少污染,这为解决能源与环境矛盾提供了全新思路。

考察结束后,郭烈锦立刻申请科研基金,在导师、我国能源动力学科奠基人陈学俊院士的支持下,带领团队正式开启超临界水蒸煤制氢、太阳能制氢等清洁能源技术的研究。

传统煤化工和燃煤发电,均依赖高温氧化(即燃烧或部分燃烧)来释放热量,过程温度动辄上千摄氏度,不仅能耗高,还不可避免地产生硫氧化物、氮氧化物和低浓度二氧化碳,后续捕集成本极高。

郭烈锦带领团队立足多年超临界水热物理特性研究积淀,跳出了这一全球通用的高温氧化固化框架。“全球深耕煤炭气化的研究者,始终没有突破氧化反应的固有思维。我们率先提出了一条完全不同的路径——利用超临界水作为反应介质和反应物,让煤炭在纯水环境中发生吸热还原反应,实现完全气化;生成的氢气再与纯氧进行中低温温和氧化放热,供给反应所需热量。”郭烈锦解释道。

通俗地讲,传统方式是“烧煤烧水”,而新方式是用“超临界水(温度压力高于临界点374.3℃、22.1MPa的水,具有特殊的溶解与传质特性)”作为反应媒介,使煤炭在分子层面与超临界水充分接触并发生反应。这一思路的关键在于:气化过程是纯还原反应,不引入氧气,因此反应温度可以控制在700℃以下,远低于传统工艺;同时,煤中的硫、氮及重金属等元素不参与气化反应,最终以固态灰渣的形式从反应器底部排出,从源头上杜绝了硫氧化物、氮氧化物和粉尘的排放。

在此基础上,团队创建了碳基能源在超临界水中“吸热还原气化”与“氢温和氧化放热”耦合的理论体系,并原创了定向调控方法,使整个过程不可逆损失最小化,成功攻克了煤炭温和、高效、完全气化的世界性难题。

更令人称道的是,该技术在高效气化的同时,实现了二氧化碳的“自然富集”。由于气化产物是氢气和二氧化碳的混合超临界流体,冷却后氢气仍为气态,而二氧化碳在高压下可被直接分离,得到近乎纯态的二氧化碳气流,无需额外能耗即可完成捕集。这彻底改变了传统烟气中低浓度二氧化碳捕集成本居高不下的困境。

团队还建立了完整的过程设计与系统构建准则,构建了氢碳循环与热力循环协同联产的氢、电、热一体化系统,并完成中试验证。历经20余年持续迭代,每小时产1000标方氢气的大型工业化试验装置已完成建设。经验证,依托该技术改造的百万千瓦级煤电机组,能源转化效率可达50%以上;相较于传统煤制氢、煤发电技术,一次性设备投资、制氢能耗与综合成本均下降20%以上,真正实现“清洁、低碳、高效、经济”多目标协同。

目前,团队已联合多家央企和民营企业推进大型产业化示范项目落地。据测算,该技术落地后,可实现年均减排数十亿吨二氧化碳,每年带动的新质生产力及产业链规模可达数十万亿元。

在郭烈锦看来,团队在超临界水蒸煤制氢领域的突破印证了一个朴素而深刻的道理:真正的原创性技术,必须从基础研究的根上长出来。

“当下不少科研存在碎片化问题,热衷于追逐热点、优化局部指标,像头痛医头、脚痛医脚那样进行浅层修补。”郭烈锦直言,这种“打补丁”式的研究,如果不从底层原理上重构体系,不从整体系统上寻找答案,就很难产出真正意义上的颠覆性成果。

他说,基础研究不是“纸上谈兵”,而是面向国家重大需求的长期坚守。能源动力学科的核心使命,是紧扣国家能源安全与绿色可持续发展的重大需求,扎扎实实从基础理论入手,吃透机理、打通逻辑,再立足全系统视角破解核心矛盾。“只有甘坐冷板凳、深耕厚植,把原理搞清楚、把路径想明白,才能从源头上攻克产业的‘卡脖子’难题,而不是在表面问题上绕圈子。”郭烈锦说。

正是这种“从根上解题”的科研定力,支撑团队二十余年如一日持续深耕,最终将基础理论的突破转化为服务国家战略的核心技术。

据了解,该项目开拓引领了碳基能源有序转化的新方向,促进了工程热物理与化工、材料等学科的深度交叉融合,被中外院士专家高度评价为“高效且洁净的转化”“原创性技术”与“先驱”。