特稿丨从一片空白到世界首台！让废弃物逆袭变“黑金”

◎ 科技日报记者 吴长锋

一竿竿新鲜的竹子，被破碎成5公分大小的竹片，送进炭化炉。

“出炉！”半小时后，随着操作工的一声号令，炉壁缓缓打开，乌黑光亮的竹炭从炉内淌出，散发出特有的芳香……

7月16日，科技日报记者在安徽昊丰新能源科技有限公司生产车间里，与科研人员一起见证了这一奇迹的发生。

“这是世界首套采用生物质催化转化技术生产生物炭的装置，年产量可达5万吨。”望着眼前的炭化炉，合肥工业大学教授邢献军激动地说，“我们终于把生物质变成了可持续资源！”

以毛竹为原料制成的生物炭。

大幅提升转化率

“如果没有了化石能源，人类将如何应对？”2009年，在一次国际能源学术会议上，邢献军和与会学者们围绕这一话题展开了热议。他回忆道，当时大家普遍认为，生物质能源是最具潜力的替代方案。

“生物质，通常是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有动植物和微生物，具有重要的能源和资源价值。”邢献军告诉记者，生物质来源广泛、可再生性强，只要有阳光、水分和二氧化碳等条件，生物质就可以不断地被生产出来。

然而，彼时的生物质利用方式大多局限于焚烧发电。在邢献军看来，生物质资源被这样简单地烧掉，不仅效率低下，也不够环保。从那时起，他就将“生物质资源化高效利用”作为自己的奋斗方向。

当时，这还是个新事物，国内外相关技术处于一片空白。

“卖炭翁，伐薪烧炭南山中……”千百年来沿用的制炭技术，其本质上是高温热解和低温烘焙的技术方法，炭转化的得炭率仅在35%左右，而且污染严重。

怎样提高生物质变成炭的转化率？邢献军反复琢磨。

2011年，邢献军离开长期担任高管的安徽皖能集团，来到合肥工业大学，并牵头组建了先进能源技术与装备研究院，开启了用生物质催化转化方法高效制备生物炭技术研究攻关。

然而，项目刚起步，就面临诸多困难。资金不足，邢献军就把自己的全部积蓄填了进去；团队缺人，他拉来之前课题组的同事并肩作战……为了做试验，他与当地一家化工厂软磨硬泡，硬是在那里建起了生物质催化转化的反应炉。

这年7月，世界首次通过催化转化制备的生物炭，在合肥中盐红四方化工厂出炉。“虽然那次仅有500克炭，我的心情却无比兴奋。”邢献军说。

紧接着，他们向提高效能、放大产量的目标迈进。“为找到生物质炭化的最优工艺参数，光是各种实验，就做过上万次。”回忆起那些不分昼夜做实验的日子，团队成员、合肥工业大学张学飞博士说。

其间，团队研发出一种“固溶分压技术”，能够将反应中产生的含碳气体，全部重新压回到生物炭分子内部，从而让生物质所含的碳元素全部转化成炭，炭转化率一举提升到60%左右。这意味着，除去生物质近40%固有的含水量外，其余组分几乎全部被炭化了。

找到“临界能量点”

“如何将生物质亿万年的炭化过程，缩短至数小时之内？”邢献军要突破的最后一个障碍是时间，因为炭化过程越长，能耗就越高。

2013年，在团队着手建设年产5000吨生物炭中试示范项目时，他们发现，在实验室和中试规模下，生物炭品质很稳定；而一旦规模扩大，在大型炭化炉内进行生产，生物质传热和催化剂分布的不均匀性问题就凸显出来。这不仅影响炭化时间，导致能耗飙升，还出现了“夹生炭”的问题。

数百次实验之后，团队终于将炭化时间由7天缩短为1天。这一重要进展，让团队看到了希望，也坚定了信心。

“这是一场与时间和自我的赛跑。”团队中的在读博士臧真娟说。再一轮千百次实验之后，他们用实验和数值模拟相结合的方法，找到了生物质炭化过程相变的“临界能量点”，从而设计出最优催化剂，让生物炭实现了可控制备。

又是两年多过去，团队迎来新突破——炭化时间缩短为12小时。

此后，通过对催化剂组分、炉内生物质传热以及分子衍变机理等进行理论分析、模拟计算和实验研究，团队不断优化工艺，逐步将炭化时间缩短为1小时、42分钟……

最终，生物质炭化过程缩短至30分钟！生物炭的生产效率得到大幅提升，且生产过程几乎实现零排放。

2019年底，世界首台日产100吨生物质炭的炭化炉定型下线，实现了一炉一次制备1吨、年产5000吨生物炭的目标。

2019年底，世界首台日产100吨生物质炭的炭化炉定型下线。

污泥也可变“黑金”

邢献军团队的实验室，实际上是一个占地数千平方米的工业车间。这里陈列着团队各个阶段研制的炭化炉，还有数控机床等机加工设备。

“这些都是我们自己动手造出来的。”邢献军说，每次工艺参数调整都得改设备。从加工农作物秸秆的造粒机、毛竹破碎机，到各种立式、卧式炭化炉，再到生物质分级超焓燃烧锅炉……这些设备都是他带领团队自主研发的。

“认准一件事，就要坚持干到底。”十多年的科研过程中，邢献军带领团队获得了无数奖项，发表了数百篇高水平论文。生物炭实现大规模高效制备后，他们又把目光瞄向了利用生物炭制备碳基新材料的研究上。

“理论上，所有的生物质都可以作为制备生物炭的材料。其中，农林废弃物是较为理想的生物炭原料，秸秆、木屑甚至污泥等等，都是宝藏。”邢献军说，废弃物可以逆袭成为身价百倍的“黑金”。

目前，团队已成功研发出超声波生物炭活化装置，使活性生物炭具备了更高的价值。利用生物炭制备的石墨材料、高性能锂电池负极材料等储能产品，已经取得实质性进展，即将实现产业化。

在不久前召开的全国科技大会、国家科学技术奖励大会、两院院士大会上，习近平总书记强调，扎实推动科技创新和产业创新深度融合，助力发展新质生产力。

“我们将深入贯彻落实习近平总书记重要讲话精神，继续瞄准产业做科研，把论文写在产品上，把研究做在工厂里，把成果转化到市场中，为实现‘双碳’目标提供更多的清洁能源和可再生绿炭资源！”邢献军说。

编辑：王宇