【“液态阳光”:推动碳达峰、碳中和的技术新路径】以太阳能为动力,水和二氧化碳作原料,在催化剂作用下合成出甲醇,用以替代化石能源,实现碳的循环利用——甘肃籍中国科学院院士、中科院大连化学物理研究所研究员、博士生导师李灿及其团队,历时20年载攻克的液态太阳燃料合成技术,将这一梦想变为现实。

而随着液态太阳燃料合成技术在兰州新区成功完成工业化验证,人类为早日实现“碳中和、碳达峰”有了一条全新路径。

二氧化碳变废为宝

车辆离开兰州新区繁华的核心区,沿着笔直开阔的道路向西北方向行驶20余公里,便到了兰州新区倾力打造的化工园区。道路一侧的一座小山丘上,漫山遍野铺满了光伏板,在阳光照射下显得格外壮观。

“这是液态太阳燃料合成示范项目的光伏发电部分,占地259亩,用来将太阳能转化为电能。”兰州新区石投集团高级技术主管李春新介绍说。

距离山丘不远,就是项目的主厂区,里面矗立着项目的核心设备——各种各样的装置、在空中穿梭交织的管道、高耸的反应塔,显示出十足的科技范儿。

“用山丘上光伏板发的电,将水电解为氢气和氧气,再让氢气和二氧化碳反应,就生产出了甲醇,也就是我们所说的‘液态阳光’。”李春新尽量用最简要的语言道明了项目的原理。

甲醇,可作为燃料替代石油,同时也是一种重要的化学中间体,在化工领域应用非常广泛。

电解水制氢,氢再与二氧化碳反应制甲醇,在实验室早就在研究,液态太阳燃料合成示范项目有何特别之处?

“关键在于合成过程中使用了李灿院士团队所研发的高效催化剂。”李春新说,这一项目由光伏发电、电解水制氢、二氧化碳加氢等3个重要生产环节组成,其中,李灿院士团队研发的催化剂在后面两个环节发挥了关键作用。

催化剂是在化学反应中加入的一种特殊物质,其本身不会参与反应,却可以加快化学反应的速度,全面提升效率。

实验室里,通过电解水得到氢气,再让二氧化碳与氢气反应生成甲醇的过程复杂漫长,且条件也相对苛刻,而没有实现大规模化工业过程。而李灿院士团队研发的高效催化剂,则极大加快了电解水和二氧化碳加氢的进程,解决了关键技术难题,使工业化生产“液态阳光”变为了现实。

“通俗地讲,液态太阳燃料合成示范项目就是利用太阳能、水和二氧化碳生产出甲醇的过程,它将无形的太阳能量转移到了液态的甲醇当中,因此,以这种方式得到的甲醇被形象地称为‘液态阳光’。”李春新进一步解释说。

兰州新区化工园区总顾问、兰州大学化学系教授张有贤认为,“液态阳光”合成技术是一项革命性的技术,其重大现实意义在于将二氧化碳变为重要的生产原料,划时代地解决了工业二氧化碳尾气的利用问题。

“工业生产过程中,二氧化碳之所以被大量排放,是因为它无法被大量利用,产生不了价值。而在‘液态阳光’的生产中,二氧化碳变成了重要原料,有了利用的价值。”张有贤说,液态太阳燃料合成示范项目不仅将太阳的能量转移到了液态的甲醇中,也使二氧化碳中的碳元素“封存”到了甲醇中,这是人类利用二氧化碳的一次重大创举。

催化技术重大创新

中国科学院大连化学物理研究所位于辽宁省大连市沙河口区,不远处就是大连著名的星海广场和星海公园,依山而建、环境优美。

大连化物所是一座以基础研究与应用研究见长的综合性研究所,催化化学是其重要的研究领域。自1983年到大连化物所读研究生以来,李灿院士不断向着一座又一座催化领域高峰努力攀登。“液态阳光”则是李灿和他的团队在催化剂研究上又一次重大突破。

“‘液态阳光’合成成功,实际上就是催化技术的成功。”近期,记者专程前往大连化物所,对李灿院士进行了专访。李灿介绍说,“液态阳光”的合成过程中,通过加入催化剂,大幅提升了电解水制氢、二氧化碳加氢两个生产环节效率。

也就是说,李灿团队分别攻克了两大催化技术。

以电解水制氢为例:传统电解水制氢能耗大,生产出同样体积的氢气不仅成本高,而且速度慢。但使用李灿院士团队研发的先进电催化剂后,单位时间内电解的氢气量大幅增加。

“以前,一小时能够出几百方氢气就已经了不起了,现在我们可以出1000方以上,这是一个很大的进步。”李灿说。

制氢速度提升的同时,还有成本的下降。

传统制氢,每产生一立方米氢气大概需要耗5度以上的电能,但兰州新区液态太阳燃料合成示范项目把生产一立方米氢气的耗电量降至4.3度。

“别小看这0.7度,一方省下0.7度,1亿方、10亿方又要省下多少电,这个量大得不得了。”李灿说,工业生产必须要考虑效率和成本,否则没有企业愿意干。

前沿技术的探索之路往往充满着艰辛。

“液态阳光”的成功,研制出具有很强靶向性的催化剂是关键。一次次试验、一次次失败,李灿院士团队没有放弃。

“加入催化剂后,要让氢气和二氧化碳反应后生成甲醇,而不是甲烷之类的其他物质。”李灿院士说。

与实验室环境不同,工业合成“液态阳光”必须要充分考虑到杂质、水、温度等对催化剂的影响。

比如:要确保催化剂耐高温,温度升高不会被烧死、烧结。同时,工业二氧化碳含有大量杂质,有毒化作用,这又需要催化剂要特别“皮实”,既要在温度高的时候不怕烧结,又要同时在各种各样的“粗粮杂粮”原料过来能够被消纳。

“一般的催化剂很怕水,温度高的时候,水对催化剂的破坏很严重,而二氧化碳加氢过程中会产生大量的水,又给我们带来新的问题、新的挑战。”李灿说。

通过许多次攻关,一系列问题最终逐一得到解决。
李灿院士团队成员在大连化物所实验室进行催化剂性能测试。

2020年10月15日,兰州新区“液态阳光”示范项目通过了中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。来自全国各地的权威专家一致认为:这一项目具有完全自主知识产权,整体技术处于国际领先。

而“液态阳光”项目运行数据也显示,项目运行1000小时的时候,催化剂依然没有明显失活,抗中毒和抗烧结良好,达到了推广条件。这意味着“液态阳光”这一科技成果已经具备工业化生产条件。

兰州新区“液态阳光”示范项目为下一步建设10万吨级、百万吨级的“液态阳光”生产线打下了基础。
“太阳能是取之不尽用之不竭的,同样的道理,我们还可以用风能、水能等绿色能源发电,与水和二氧化碳合成出清洁的甲醇。”李灿说。

技术应用前景广阔

2020年1月17日,注定是一个值得铭记的日子。这一天,总占地面积289亩,投资约1.4亿元的兰州新区液态太阳燃料合成示范项目成功投运,呈液体状的粗甲醇第一次从设备终端的管道中流出。

“电是通过光伏发电得到的,水是普通的工业用水,二氧化碳是从合成氨工厂尾气中捕获的,整个甲醇的生产过程完全实现了绿色生产。”李灿院士团队的王集杰博士见证了这历史性的一刻。

化学品的工业化生产存在着放大效应,在相同的操作条件下,利用小型设备在实验室得出的研究结果,往往与大型生产装置得出的结果有很大差别。
“在实验室里,最初放入反应管的催化剂只有1克,成功后,我们把量放大100倍以上,也就是加入100克催化剂再看结果,成功了,才有了进行工业试验的基础。”王集杰说。

从试验室中的瓶瓶罐罐,到完成工业中试,是“液态阳光”合成技术的一次大跨越。

兰州新区液态太阳燃料合成示范项目可年产甲醇1000吨,反应器中投入的催化剂达到了1.6吨,是原始试验的160万倍,达到了项目的工业化示范作用。

“现在的任务是进行推广应用,建设10万吨级甚至规模更大的项目。”王集杰说。

新技术能否被推广,还要算经济账。

兰州新区液态太阳燃料合成示范项目有关负责人、兰州新区石投集团有限公司总经理姜锦算过一笔账,在这一项目中,每吨甲醇的生产成本为3000元。而以传统的煤化工方式生产,每吨甲醇的成本约为2000元。

3000元与2000元,貌似“液态阳光”合成技术缺乏竞争力。

“项目的二氧化碳是购买的,因此增加了500元的成本,而随着‘碳达峰’‘碳中和’目标的提出,传统二氧化碳排放企业面临巨大的减排压力,我们项目很有可能‘零成本’甚至负成本获得二氧化碳,从而使‘液态阳光’成本大幅降低。”姜锦说。

在合成“液态阳光”过程中,除了二氧化碳,电价也对成本有着重要的影响。另一个好消息是,随着技术的进步,光伏发电的成本也在不断下降。

“3000元的成本是按每度电0.20元的价格计算的,现在有些地方光伏发电成本已降到了几分钱。”对“液态阳光”合成技术的推广前景,姜锦充满信心。

在液态太阳燃料合成示范项目中,之所以将甲醇称为“液态阳光”,是因为太阳的能量被一步步转移到了甲醇中。项目落户兰州新区,一个重要原因就是当地海拔高,太阳能资源丰富。

“当然,这也同兰州新区对高科技成果应用的重视密不可分,从2018年考察对接到2019年开工,再到2020年建成试运行,仅仅用了1年多的时间,兰州新区从土地、资金等多个方面给予了大力支持。”姜锦说。

在王集杰看来,兰州新区液态太阳燃料合成示范项目的影响将会非常深远。

我国每年的二氧化碳排放量约100亿吨,其中近一半集中在电力、化工、冶金等八大行业。如果能将这些二氧化碳捕集用于制造甲醇,按1.4:1的二氧化碳投入和甲醇产出比例,就等于全国每年在减排50亿吨二氧化碳的同时,能够生产出35亿吨甲醇,社会效应无法估量。

王集杰说,目前工业捕集二氧化碳技术已经相对成熟,未来,人们还可以对轮船等排放的二氧化碳进行捕集利用。

“液态阳光”合成技术在兰州新区完成工业化验证后,引起社会广泛关注。

在中国可再生能源学会科学技术奖评审中,液态太阳燃料合成项目荣获技术发明奖一等奖。

“已经有多家企业来对接合作,有的已经进入合同起草阶段,很快就有10万吨级以上的液态阳光甲醇合成项目启动建设。”王集杰说。

太阳能为动力,将二氧化碳变废为宝,实现碳的资源化循环利用,这一天很快就会到来。(新甘肃客户端)

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【黑毡上的北魏皇帝】
作者:罗新
评分:★★★★
标签:历史、内亚史、北魏
书评:其实这本太学术了……就这么评分对我对书都不太好,我的感受没法给出5⭐,但以此评价并不意味着这本书的价值只值4⭐……
北魏不仅作为中国古代历史上的一个阶段,也是内亚史中的一部分,作者从北魏皇帝即位的政治仪式入手,一方面考察拓拔鲜卑与华夏的传统的碰撞和遭遇,另一方面揭示与内亚传统的联系。前两篇介绍了祭天仪式、代都旧制和祭天方坛上的木杆,都是从细微处考察历史。代都旧制是在七人承负的黑毡上西向拜天的即位仪式,这种举毡立汗的仪式在回鹘、鲜卑、突厥、契丹、蒙古、柔然都有这种传统,在内亚历史上是连续的,是有据可循的。然后简要介绍了举毡立汗的过程,以及考据了其中两个细节:君臣对话和预言在位年限。木杆这篇……实在太无聊了,看完一点都布吉岛了,大抵也是在说内亚传统的连续性。
《内亚视角的北朝史》一篇打开了新思路,一个收获是得警惕中华文化本位立场,警惕那些先进和落后的评价,警惕批评和赞扬。罗新是将北朝史作为内亚史的一部分来看的,传统历史上都采取了华夏本位的立场,陈寅恪的关注点在华夏传统的存续发扬,而北方是为南方注入活力,唐长孺和牟发松都是认为北朝是一个不正常的阶段,历史最终是要回到南朝所代表的历史进程。不过现在有很多“北朝主流论”,田余庆最早表述:“从宏观来看东晋南朝和十六国北朝全部历史运动的总体,其主流毕竟在北而不在南。”阎步克也是提出了“北朝历史出口说”,在他看来,内亚人群成为华夏传统复兴的主要承担者,“北朝军功贵族与异族皇权的结合,使北朝成为帝国复兴的历史出口,进而带动了一系列的制度演化”。罗新认为这两种观点仍是以中国史为出发点,都是为了把十六国北朝嵌入汉魏与隋唐历史之间。他认为的“内亚视角的北朝史”也不是用内亚传统、内亚制度来解释,而是探寻原因的原因。(虽然我还是没怎么搞懂他的意思)
还有一个比较感兴趣的是匈人和北匈奴,最近几本书看到的都是认为匈人就是北匈奴。但我记得之前看到说二者并不等同。
这种观点最早是德金提出,维基百科“自德金起在18世紀首次提出匈人和匈奴人為同一支民族後,現代歷史學家就開始尋找在西元4世紀出現在歐洲邊陲的匈人和在西元前3世紀到西元2世紀之間多次入侵中原的匈奴人之間有何關聯。在漢匈戰爭中被漢帝國徹底擊敗後,北匈奴開始往西北逃跑,他們的後代也許遷移到歐亞大陸各處,匈人也許某程度上繼承了他們文化和基因[12]。學者們同樣也商議了匈奴人、匈人以及其他族名中同樣帶有匈字的民族之間的關係,特別是與被稱為「伊朗匈人」的匈尼特人和嚈噠人之間的關係[13]。”
正好看到这本里他提了一嘴,于是也找了他对这个问题的看法《匈奴—是故事还是历史》。实际上,从北匈奴破灭到匈人出现在拜占廷的东方诸省,其间有200多年的年代学上的断裂。学者为了填补这段时间的空白,找出的依据也不能完全解释。匈奴不像其他游牧民族有自己的文字,他的历史是靠敌人汉朝官员写下来的,但关于匈奴民族和匈奴国家的起源、发展、衰落与去向,仍然存在大片空白。从文物、语言、外貌来讲,其实并不能完全确认是北匈奴,就像罗新在这本书里讲的,内亚的中心是草原,主体人物是游牧人,不同游牧人群间互动规模很大,造成语言、风俗、信仰高度相似,如何区分不是其他民族呢?而且考古也从基因角度入手,其中有一个就是认为天山匈人的欧洲祖先比匈奴人多……
比较有意思的是最后一篇推测耶律阿保机之死了,有点像之前看过的《沉默的永和轮》,文献推理的感觉,不过永和轮那个应该有虚构部分吧?毕竟标签是小说,虽然我没看出来。

◆ 黑毡上的北魏皇帝

>> 从北魏皇帝即位仪式的代北因素入手,一方面观察拓跋鲜卑政治传统与华夏传统的遭遇、碰撞及变异,另一方面考察鲜卑旧俗(所谓代都旧制)与内亚政治传统间的联系。通过揭示代北因素与内亚传统间的深刻联系,以及这种联系在华夏传统持续作用下的弱化与消解

◆ 一、孝武帝元脩的即位仪式与“代都旧制”

>> 这种在七人承负的黑毡上西向拜天的即位仪式,既称“代都旧制”,就可以理解为迁都洛阳以前北魏的皇帝即位旧仪。

>> 高欢对即位典礼的改造当然要放到政治史的视野下才好理解,不过政治仪典作为工具性很强的文化传统,本来就是政治活动的一部分,必然随着政治情势的变化而变化。

◆ 二、内亚传统中的可汗即位仪式

>> 从现有的研究可以看到,举毡立汗无疑是内亚草原古老且富有强韧生命力的政治文化传统。已有的证据显示,拓跋鲜卑、突厥、回鹘、契丹和蒙古都沉浸在这一传统之中。而且还可以推测,与拓跋同时的柔然,与回鹘同时的黠戛斯,与契丹同时的奚,以及许许多多其他曾经结成较大政治团体的所谓部族,都不太可能置身这一传统之外。

◆ 小结:内亚传统的连续性

这段能解惑一部分匈人和北匈奴,想知道罗新对这个问题是什么看法
>> 内亚尽管也是多文化、多经济形态的,但其中心世界是草原,其主体人群是游牧人,而因为整个社会都在马背上,不同游牧人群间的互动规模往往非常大,其空间尺度常常大到定居社会难以理解的程度。历史时期虽然草原地带的政治体更换未必比定居社会更频繁,但其震荡规模和地理覆盖面总起来看要大得多。这些条件使得内亚各人群间的深度互动持续发生,造成语言、风俗和信仰等方面的高度近似,使得内亚各人群之间看起来似乎是共享着同一个文化遗产,特别是当与非内亚如中原的华夏——汉人群进行比较时。必须说明的是,正如阿尔泰语(Altaic)各语言之间的语言亲缘性是接触的结果,内亚各人群之间的文化亲缘性,也是接触和互动的结果——正如并不存在一个原始阿尔泰语(Proto-Altaic)母体,同样也不存在一个原始内亚文化母体。

>> 内亚尽管也是多文化、多经济形态的,但其中心世界是草原,其主体人群是游牧人,而因为整个社会都在马背上,不同游牧人群间的互动规模往往非常大,其空间尺度常常大到定居社会难以理解的程度。历史时期虽然草原地带的政治体更换未必比定居社会更频繁,但其震荡规模和地理覆盖面总起来看要大得多。这些条件使得内亚各人群间的深度互动持续发生,造成语言、风俗和信仰等方面的高度近似,使得内亚各人群之间看起来似乎是共享着同一个文化遗产,特别是当与非内亚如中原的华夏——汉人群进行比较时。必须说明的是,正如阿尔泰语(Altaic)各语言之间的语言亲缘性是接触的结果,内亚各人群之间的文化亲缘性,也是接触和互动的结果——正如并不存在一个原始阿尔泰语(Proto-Altaic)母体,同样也不存在一个原始内亚文化母体。

◆ 内亚视角的北朝史

>> 田余庆先生说:“从宏观来看东晋南朝和十六国北朝全部历史运动的总体,其主流毕竟在北而不在南。”

◆ 耶律阿保机之死

突然想到《沉默的永和轮》,文献推理
>> 我试图换一个角度,从内亚传统的约束力、契丹国家制度建设与阿保机所处的复杂政治环境等因素入手,分析他何以不得不死,甚至何以不得不承诺自己三年后会死。


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