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《科技潮》

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许世森慧心“捕碳人”

2012-10-29 19:29:11


     李京淑

尽管身兼中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司院长、博士以及“中美清洁能源联合研究中心(清洁先进煤炭技术)”中方主任等重要行业职衔,但许世森形容起自己,最喜欢用的说法只有3个字——“捕碳人”。

这的确精准而生动。自打率领团队研发起基于燃煤电厂的二氧化碳捕集设备,他奋斗的核心主题,就是将这种无色、无味的气体从排向大气的烟囱中“捕获”出来,并加以封存及利用。由于业内戏称这一技术环节为“捉鬼”,他亦笑言,自己就是要当个道行高深的钟馗。

 

“中国速度”,完胜!

回想起来,虽然自1993年在西安交大就读“热能工程系”博士开始,许世森就致力于清洁高效燃煤发电技术领域的探索,但真正在200710月接到研发二氧化碳捕集装置的国家任务,还是有点临危受命的感觉。

彼时,中国正处在两大迫在眉睫的关口,亟待用行动表明自身立场:一则,一年一度的联合国气候大会正针对温室气体效应,商讨制定更为严格的废气减排标准,作为世界能源消耗量最大的国家,中国面临极大压力,并承诺在未来将相对排放量减少45%50%;另一方面,在成功获得2008年北京奥运会申办资格后,为践行“绿色奥运”理念,中国亦必须有效实现节能减排。

鉴于此,国家发改委及国家能源局联合下达了研发“燃煤电厂二氧化碳捕集装置”的任务。担子落在许世森和他的团队肩上,而且时间只有9个月。

这是没有领跑者可以效法、追赶的挑战,为确保在奥运会前完成任务,大家最大限度地压缩了一切休息时间,很多关于技术难点的讨论常常要进行到深夜。

起初,澳大利亚联邦科工组织也希望一同参与设计。但没过多长时间,就被许世森团队的“中国速度”甩在了后面,并由于其方案深度无法满足项目要求,而最终提前离场。

“‘捕碳’对于全世界而言,都是个新鲜课题,中国与欧美几乎站在同一起跑线上。虽然没有范本可循,但我们有十几年的研发基础,对于这个任务,我们不用再一味追赶国外,可以飙出自己的想法跟速度,牺牲点儿睡觉时间,值了!”许世森说,全力以赴琢磨“捕碳”,不仅因为这事关国家声誉,更因为它确实悬系着许多人的生死存亡。“到2050年为止,全球气温上升不能超过2℃,这是目前在国际范围内已经达成的共识。如若不然,几十个太平洋、印度洋的低地环礁岛国就将在冰川消融、海平面上升的情形下,遭遇灭顶之灾。”

揣着志在必得的决心,2008716日,由许世森团队研发的我国第一套燃煤电厂二氧化碳捕集装置在华能北京热电厂正式投运,达到了设计指标。一经面世,就引发了国际能源领域的广泛关注。时任美国能源部部长的朱棣文,第一次访问北京,就指明要去现场观摩,与此同时,《科学》、《自然》等国际权威媒体也对这一重大成果进行了专门报道。

在许世森口中,原本复杂专业的装置原理,变得非常通俗易懂。通常第一步,他会帮听者明确一些数字概念:在我国的整体电能结构中,有超过80%的发电方式是基于化石燃料,这些化石燃料有99%以上都是煤。而作为一种高碳能源,煤粉中的含碳量约为60%70%。传统的燃煤发电方式,是将煤放置在锅炉中燃烧,其热能会传递给水,水蒸发变成蒸汽,推动蒸汽轮机,从而带动发电机发电。整个过程的“副产品”,是二氧化碳浓度为14%16%的烟气,如若它们在毫无干预的前提下直接被排入大气,则会破坏大气中原定的氮、氧平衡(大气中约79%为氮气,21%为氧气),形成所谓的“温室效应”。

有统计数据表明,我国电厂每年至少烧掉23亿吨标准煤,按一吨煤平均排出两吨二氧化碳计算,一年的碳排放量高达40多亿吨。虽然植物的光合作用可以有效吸收其中的一部分,但相对于巨大的排放量而言,无论再怎样大规模种草、种树,大气中的二氧化碳绝对值亦会不断增加,因此人工捕集势在必行。

许世森团队发明的捕集装置,直接与发电厂烟气的排放通道相连。烟气从吸收塔底部进入,接受自上而下的有机胺溶液喷淋,之后再从顶部排出。“捕碳”的关窍,就在于这个“沐浴”过程,特制的“沐浴液”会将烟气中90%的二氧化碳拦截抽离出来,由此形成的“负液”会被引入另一座吸收塔,待加温至50℃,二氧化碳会再次与液体脱离,恢复气态,且浓度可提升至约99.6%。而转了一圈的有机胺溶液则重新变为“平液”, 可以回到吸收塔,循环使用。

看似环环紧扣,但一切来得并不容易。这当中面临诸多难题,首先,二氧化碳在烟气中的原始浓度仅为14%,与它一同存在的,还包括二氧化硫及其他重金属元素和杂质,因此如何精准、单纯地捕捉到二氧化碳,是决定装置成败与否的技术关键。其次,如何最大限度降低有机胺溶液消耗,从而实现长效循环、降低作业成本,以及如何确保装置不受溶液腐蚀,都是许世森团队需要操心的问题。

不仅如此,大家还得变着法儿将捕到手的二氧化碳封存、利用起来。目前的利用方式是将提纯至99.6%的二氧化碳液化并罐装,可以直接满足焊接、冷冻、植物保鲜、促进植物生长等多种工业和农业用途。而如将其进一步提纯至99.99%,并严格满足相关的各项微量元素标准,则可用于制作碳酸饮料等食品行业。

 

下一步,燃烧前捕集

2008年运转至今,这套捕集装置平均每年可捕获约3000吨二氧化碳,然而事实上,它在技术方面的示范意义,远远大于其产生的经济效益。4年来,许世森团队不但收获了诸多宝贵数据,更证明中国已经自主掌握了相关技术领域包括工程设计、工程建设以及运行维护在内的多种能力,奠定了国际领先的技术地位,该捕集装置亦摘得“全球运行时间最长”的荣誉光环。

在北京“试水”成功的基础上,许世森又率领团队挥师上海,同样在不到一年的时间内,于2009年末就在上海石洞口第二热电厂完成了12万吨级的全球最大“燃煤电厂二氧化碳捕集装置”从设计到投运的全过程。对于个中辛劳,他依旧习惯轻描淡写:“上海‘升级’之役最大的意义在于,我们掌握了该技术的放大过程,核心技术得到了进一步验证,为未来减排二氧化碳做好了技术储备。”

目前,许世森团队已与美国、挪威达成合作,帮助挪威石油公司以及美国杜克能源公司,设计建设100万吨级的二氧化碳捕集装置。

除此之外,他正带领团队为我国第一座IGCCIntegrated Gasification Combined Cycle,整体煤气化联合循环发电系统)示范电站的调试和运行忙碌着,并已开始着手设计适合IGCC的二氧化碳捕集系统。

与北京、上海的“燃烧后捕集”不同,天津的二氧化碳捕集项目将采用“燃烧前捕集”技术。许世森心里清楚,这又是一次没有范本的领先探索。“研发正在进行中,IGCC是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统,如果能在燃烧前实现对二氧化碳的捕集,那么不但有效提升能源的利用率,也降低了减排作业的技术成本。既然一开始就走在了国际前列,这一次也要竭尽全力。”

不仅如此,许世森还带领团队在国内率先开展天然气发电烟气二氧化碳捕集研究。由于天然气燃烧后,二氧化碳在烟气中的浓度仅为4%7%,这意味着捕集更难,需要更为先进的手段,要针对此前的技术、工艺及设备进行创新。

 

捕回来,不算完

许世森说,自己很幸运。一方面赶上国家倡导创新发展路线、建设世界一流企业的市场大环境,另一方面,作为国内最大的发电企业、亦是全球第二大发电企业,中国华能集团的资源优势为一路走来的研发工作提供了最为稳定而强有力的保障。“对于我所在的研究院而言,隶属于大企业,可以获得最佳的成长空间。因为一个出自实验室的新技术,可以依托集团内的自有体系,可以很快在小试、中试后实现工业化。比如之前已经投产的二氧化碳捕集装置,上海、北京的试点就是在华能体系中完成了从小试到工业装置的过程。”

然而与此同时,许世森亦清醒意识到,中国的能源结构现实,将注定在此后相当长的一段时间内,发电方式仍以燃煤为主。大力发展可再生能源是我国非常重要的战略选择,但在相当长时间内化石能源的使用比例亦不会低于60%

而这恰恰引发了另一个重要的问题,会有越来越多的二氧化碳排放,工业、农业及食品行业的使用量非常有限,大量的二氧化碳该如何处置?

利用二氧化碳驱油是近期可实现的一种大规模利用方式,这项技术在美国和加拿大已实现工业化,34吨二氧化碳可驱出一吨油,大大提高了石油的采收率。

然而,利用二氧化碳驱油或驱替煤层气,也仅能消化一少部分,大量的二氧化碳还需进行永久封存。一个颇具想象力的方法已经成形:将二氧化碳注入陆地下的咸水层,在地热和地压的作用下,咸水层的盐分与二氧化碳相遇,在一个缓慢的过程中,将二氧化碳固化成为碳酸盐,以岩石形式地质封存。上述方式正在进行示范验证,初步的结果显示了其可行性和巨大的封存潜力。此外,利用采空的气田和油田封存二氧化碳也是有效的方式。

 

把更多时间留给实验室

目前,许世森率领的“捕碳”团队约有50人,其中80%以上都是博士。“我们从美国和欧洲引进了5名‘千人计划’人才和10多名‘洋’博士。与此同时,近3年有多名清华‘三清团’第一名都被我们招揽到了旗下。所谓清华‘三清团’,是指本科、研究生、博士都就读于清华的学子。这些人才,尤其是成绩位于前列的顶尖人才,一直是国际各大研究机构争相招揽的对象,他们确实非常出色,他们的加盟,也让我对未来充满信心。”

3年前,许世森又多了个新身份——中美清洁能源联合研究中心(清洁先进煤炭技术)中方联合主任。该研究中心由中国胡锦涛主席与美国奥巴马总统共同倡导设立,旨在促进中美两国的科学家和工程师在清洁能源技术领域开展联合研究。“过去,此类技术的研发一直是‘一边倒’,中国人常年追着美国人前进。如今终于反过来,团队中的每个人都干劲十足!”

眼看要做的事情越来越多,许世森对个人的时间管理也用足了心思。因为身兼一部分研究院的行政职务,为保证研发按进度完成,除参加国际学术交流外,他将每周的周一上午、周三下午以及周五上午,确定为处理行政事务的专属时间段。其余时间,则大多与团队成员钻进实验室。

通常情况下,他的一天是从早上6点钟开始的。起床后,许世森会将头天睡前冒出来的新想法仔细梳理一遍,7点多到达办公室后,尽量用上午的时间完成碰头会、任务下达与追踪、团队人事处置等事宜,并将下午的大块时间,留给实验室中技术方案的研讨。“我晚上尽可能减少应酬,很多交流活动尽量委派给其他同事,自己则花更多时间阅读有关节能减排领域的国际资讯。只有这样,才不会丢失对手的进度,才能时刻保持领先。”

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