基于國(guó)家能源安全和能源清潔高效利用的現(xiàn)實(shí)需求，氣體膜分離技術(shù)廣泛應(yīng)用于富氫、碳捕集、天然氣提氦和揮發(fā)性有機(jī)物治理等領(lǐng)域，已經(jīng)成為新能源開(kāi)發(fā)、環(huán)境保護(hù)、資源回收等領(lǐng)域共性關(guān)鍵技術(shù)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要共性支撐，對(duì)提升我國(guó)戰(zhàn)略資源儲(chǔ)備，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)具有重要意義。然而，受原材料和膜制備工藝限制，我國(guó)氣體分離膜長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷，存在巨大隱患。
太原理工大學(xué)膜科學(xué)技術(shù)團(tuán)隊(duì)依托該校國(guó)家“雙一流”建設(shè)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科和省部共建煤基能源清潔高效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)科研平臺(tái)，突破國(guó)外對(duì)氣體分離膜原材料、膜絲生產(chǎn)工藝、膜組件裝配的技術(shù)壁壘，自主研發(fā)出具有特殊橋聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺類高分子膜材料，在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)氣體分離膜材料量化生產(chǎn)和工業(yè)應(yīng)用，解決了氦氣等特殊氣體高效分離的關(guān)鍵技術(shù)難題，有效填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，為我國(guó)能源氣體脫碳、天然氣提氦等提供了“膜”法解決方案。
打破國(guó)外壟斷
攻克氣體分離膜關(guān)鍵核心技術(shù)
11月1日，太原理工大學(xué)膜科學(xué)與技術(shù)研究中心實(shí)驗(yàn)室里，工作人員李師傅依照既定配方將狀如亂麻的白色、黃色膜材料放入紡絲機(jī)，經(jīng)混溶擠壓加工后，生產(chǎn)出如龍須面般細(xì)膩修長(zhǎng)的膜絲。這些外直徑約為0.3毫米的中空纖維膜絲將被裝入不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化膜組件，應(yīng)用于各種氣體分離和提純場(chǎng)景。
“通俗來(lái)講，氣體膜分離技術(shù)的作用就是‘過(guò)濾’，即以膜兩側(cè)氣體的壓力差為推動(dòng)力，利用混合氣中不同氣體在膜中滲透速率不同，從而達(dá)到氣體分離目的?！痹撔Ｄた茖W(xué)技術(shù)團(tuán)隊(duì)技術(shù)負(fù)責(zé)人廖家友介紹，氣體膜分離技術(shù)是一種成本低、能耗少、綠色無(wú)污染的新型高效氣體分離技術(shù)。長(zhǎng)期以來(lái)，該技術(shù)主要被國(guó)外少數(shù)幾家企業(yè)壟斷，導(dǎo)致我國(guó)天然氣提氦、大規(guī)模能源氣體凈化等都受制于人。
膜材料是氣體膜分離技術(shù)的核心。為了打破國(guó)外壟斷，膜科學(xué)技術(shù)團(tuán)隊(duì)從膜材料出發(fā)，突破了高分子膜材料批量化生產(chǎn)壁壘，開(kāi)發(fā)出高性能膜材料。同時(shí)采用表面偏析技術(shù)，并借鑒碳纖維生產(chǎn)工藝，自主設(shè)計(jì)紡絲配方，實(shí)現(xiàn)了超細(xì)中空纖維膜連續(xù)紡絲生產(chǎn)。該成果被授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利6項(xiàng)、實(shí)用新型專利12項(xiàng)。
“實(shí)現(xiàn)氣體分離膜材料批量生產(chǎn)并非易事，僅是克服膜材料大規(guī)模制備過(guò)程中的凝膠現(xiàn)象就困難重重?！碧峒捌D難攻關(guān)過(guò)程，團(tuán)隊(duì)成員高成云博士至今記憶猶新：氣體分離膜材料批量合成過(guò)程中，溶液極易暴聚形成固態(tài)凝膠，導(dǎo)致整鍋料被毀。團(tuán)隊(duì)成員不厭其煩調(diào)配方、做實(shí)驗(yàn)，歷經(jīng)無(wú)數(shù)次失敗，終于設(shè)計(jì)出特殊的分子橋聯(lián)結(jié)構(gòu)膜材料，破解了這一難題。
有了科研成果的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，在投資伙伴和學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)支持下，團(tuán)隊(duì)2018年成立山西格瑞思科技有限公司，將實(shí)驗(yàn)室成果逐步中試放大；2020年在山東省臨沂市投資1.2億元建立生產(chǎn)基地——山東匯海膜材料科技有限公司，在全國(guó)率先實(shí)現(xiàn)中空纖維氣體分離膜量產(chǎn)和工業(yè)化應(yīng)用，填補(bǔ)了中空纖維氣體分離膜國(guó)產(chǎn)化批量生產(chǎn)空白。2023年，團(tuán)隊(duì)與山東匯海膜材料科技有限公司、四川星秦能源科技有限責(zé)任公司共建膜科學(xué)與技術(shù)研究中心，開(kāi)啟了產(chǎn)學(xué)研用全產(chǎn)業(yè)鏈一體化發(fā)展之路。
“新型科技產(chǎn)品推廣應(yīng)用難度很大，特別是許多企業(yè)都不敢第一個(gè)吃螃蟹，不敢嘗試新技術(shù)。”追憶創(chuàng)業(yè)之初，團(tuán)隊(duì)成員馬紀(jì)偉博士感慨萬(wàn)千，“成果轉(zhuǎn)化需要大量資金投入，更需要企業(yè)家用發(fā)展的眼光看問(wèn)題。希望政府層面能夠發(fā)揮更大引導(dǎo)作用，讓新產(chǎn)品在替代進(jìn)口產(chǎn)品和替代傳統(tǒng)技術(shù)過(guò)程中得到更多機(jī)會(huì)?！?br data-filtered="filtered" />
實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代
神奇“膜”法應(yīng)用場(chǎng)景廣闊
二氧化碳分離膜、氦氣分離膜、氫氣膜、富氧膜、甲烷氮?dú)夥蛛x膜、揮發(fā)性有機(jī)物分離膜、脫濕膜……走進(jìn)山東匯海膜材料科技有限公司展廳，仿佛走進(jìn)一座膜材料博物館。
從2020年創(chuàng)建至今，公司已建成現(xiàn)代化生產(chǎn)車間1萬(wàn)余平方米，裝配投產(chǎn)5條高速多噴頭自動(dòng)化生產(chǎn)線，可年產(chǎn)中空纖維膜約100萬(wàn)平方米。提及企業(yè)發(fā)展，公司董事長(zhǎng)謝忠寶深感欣慰：“我們已經(jīng)形成膜材料—膜組件—膜應(yīng)用設(shè)備為一體的全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)服務(wù)體系，可為石油、天然氣、煤焦、鋼鐵、水泥、熱電、農(nóng)產(chǎn)品保鮮倉(cāng)儲(chǔ)及物流運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)提供二氧化碳捕集、硫化氫脫除、氦氣提取、氮?dú)獗Ｗo(hù)、揮發(fā)性有機(jī)物治理等分離系統(tǒng)及技術(shù)支撐。”
“氣體膜分離是碳減排的重要手段之一。在我國(guó)實(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)關(guān)鍵時(shí)期，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的二氧化碳分離膜將為我國(guó)低成本二氧化碳分離捕集提供有力工具。”團(tuán)隊(duì)成員孟現(xiàn)潔博士解釋，二氧化碳排放加劇溫室效應(yīng)，對(duì)全球生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，但二氧化碳也并非一無(wú)是處，它也是重要的碳資源。將天然氣、油田伴生氣、沼氣、煙道氣等體系中的二氧化碳分離捕集，再加以合理開(kāi)發(fā)利用，如制備成甲醇、甲酸或用作植物氣肥、海上驅(qū)油氣等，是將其轉(zhuǎn)化為能源和產(chǎn)品的重要途徑。
太原理工大學(xué)膜科學(xué)技術(shù)團(tuán)隊(duì)在勝利油田建立的油田伴生氣膜法脫碳裝置
2023年5月，全國(guó)首套CCUS（碳捕集利用與封存）膜法脫碳裝備上線?！拔覀?cè)趧倮吞锝M裝的這套5萬(wàn)立方米/天的油田伴生氣膜法二氧化碳分離捕集與回注工業(yè)化裝置，已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行1年多，大大降低了傳統(tǒng)伴生氣脫碳能耗和成本，并在其他油田開(kāi)展了初步推廣應(yīng)用。目前，已另外建立10萬(wàn)立方米/天的裝置1套，正在設(shè)計(jì)30萬(wàn)立方米/天的裝置1套。上述裝置建成運(yùn)行，預(yù)計(jì)可年增產(chǎn)天然氣1.2億立方米，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益超2.5億元?！辈稍L中，廖家友如數(shù)家珍，“團(tuán)隊(duì)還在山東省臨沂市開(kāi)發(fā)了沼氣二氧化碳脫除裝置，與中國(guó)石油大學(xué)合作組裝150立方米/時(shí)的煙道氣二氧化碳捕集示范裝置?！?/span>
與晉能控股集團(tuán)有限公司合作膜法瓦斯脫氧提濃實(shí)驗(yàn)；在青島金源祥機(jī)械科技有限公司開(kāi)展氮?dú)鉁缁?；在山東省濟(jì)南市進(jìn)行加油站揮發(fā)性有機(jī)物回收；與宇通客車、安徽中科中渙智能裝備股份有限公司等企業(yè)合作電動(dòng)車、燃料電池車電池系統(tǒng)氮?dú)獗Ｗo(hù)、集裝箱氣氛調(diào)節(jié)；還有廣泛應(yīng)用于高鐵、船舶、精密儀器、醫(yī)療器械等的脫濕膜……如今，匯海膜產(chǎn)品已在全國(guó)多地展開(kāi)應(yīng)用，神奇“膜”法正悄然影響著生產(chǎn)生活的每個(gè)角落。
深秋時(shí)節(jié)，天高云淡。中國(guó)石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司成都天然氣化工總廠金淺3井內(nèi)機(jī)器轟鳴，日處理量3500立方米的液化天然氣副產(chǎn)BOG尾氣氦氣分離提取裝置正在高效運(yùn)轉(zhuǎn)。這套由太原理工大學(xué)膜科學(xué)與技術(shù)研究中心提供技術(shù)支持，山東匯海膜材料科技有限公司、四川星秦能源科技有限責(zé)任公司與成都天然氣化工總廠合作建立的提氦裝置已平穩(wěn)運(yùn)行1年有余，獲得中石油專家組驗(yàn)收通過(guò)。
2024年5月，西南油氣田分公司天然氣研究院專家就該裝置出具評(píng)價(jià)報(bào)告稱：膜性能評(píng)價(jià)的三項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，膜分離性能能夠達(dá)到生產(chǎn)要求，國(guó)產(chǎn)膜與國(guó)外膜的工業(yè)應(yīng)用效果相當(dāng)。
氦氣廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈武器工業(yè)、衛(wèi)星飛船發(fā)射、低溫超導(dǎo)生產(chǎn)等領(lǐng)域，是不可再生的稀有氣體資源，也是關(guān)乎國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)命脈的戰(zhàn)略性資源。從2012年到2022年，我國(guó)氦氣年需求量從500萬(wàn)立方米增長(zhǎng)到約2200萬(wàn)立方米，居全球第二，但95%依賴進(jìn)口。因此，實(shí)現(xiàn)氦氣資源自給自足極為重要。
“當(dāng)前，氦氣主要來(lái)源是從天然氣或深層煤層氣中提取。但我國(guó)天然氣和煤層氣中氦氣濃度相對(duì)較低，經(jīng)濟(jì)合算的氦氣提取方法是采用膜法初步提濃再進(jìn)入變壓吸附或者深冷設(shè)備中精提。這兩種工藝均離不開(kāi)氦氣分離膜。惟有自主創(chuàng)新，才有望打破我國(guó)氦氣資源受制于人的局面?！?/strong>廖家友表示，團(tuán)隊(duì)采用自主生產(chǎn)的氦氣分離膜，已先后與安徽中科皖能科技有限公司、安徽萬(wàn)瑞冷電科技有限公司、中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)等合作開(kāi)展使用場(chǎng)地氦氣回收，并在甘肅省蘭州市海石灣進(jìn)行管道天然氣提氦。
山西煤層氣資源富集，總量約占全國(guó)的1/3，截至2022年底，已探明地質(zhì)儲(chǔ)量超7600億立方米。2024年前8個(gè)月，山西煤層氣總產(chǎn)量91.2億立方米，占全國(guó)同期產(chǎn)量的81.6%。其中，臨興區(qū)塊的煤層氣特別是深層煤層氣中蘊(yùn)含高濃度氦氣資源，具有良好提取價(jià)值。“團(tuán)隊(duì)與臨汾市大寧縣寧楊能源有限公司展開(kāi)合作，已經(jīng)設(shè)計(jì)出整套煤層氣制備液化天然氣過(guò)程中副產(chǎn)BOG氣體的氦氣提取工藝和產(chǎn)業(yè)鏈延伸方案，項(xiàng)目預(yù)計(jì)明年初上馬?！备叱稍普f(shuō)。
“能源保障和安全事關(guān)國(guó)計(jì)民生，是須臾不可忽視的‘國(guó)之大者’。大力開(kāi)展氦氣分離提取工作，既能降低我國(guó)氦氣對(duì)外依存度，保障用氦安全，也能實(shí)現(xiàn)煤層氣高值化利用，避免稀缺資源浪費(fèi)，可產(chǎn)生巨大資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)價(jià)值，提供大量就業(yè)崗位。于山西高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展而言，這無(wú)疑是一座尚待開(kāi)發(fā)的金山和富礦。”展望未來(lái)，廖家友滿懷憧憬，“團(tuán)隊(duì)將全力推廣應(yīng)用自主研發(fā)的煤層氣提氦工藝包和設(shè)備，力爭(zhēng)在山西乃至全國(guó)建立完整的氦氣分析檢測(cè)—氦氣分離提取—氦氣儲(chǔ)備—氦氣銷售產(chǎn)業(yè)鏈，助力我國(guó)氦氣資源自主供給，為山西因地制宜發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力提供有力技術(shù)支撐。”
努力實(shí)現(xiàn)更多“從0到1”的突破
核心技術(shù)是國(guó)之重器，最關(guān)鍵最核心的技術(shù)要立足自主創(chuàng)新、自立自強(qiáng)。采訪太原理工大學(xué)膜科學(xué)技術(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)事跡的過(guò)程中，記者對(duì)此感觸至深。
早在2015年，高性能分離膜材料就被列為《中國(guó)制造2025》重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。目前，國(guó)內(nèi)外水處理膜技術(shù)非常成熟，生產(chǎn)廠家數(shù)量眾多。但氣體分離膜技術(shù)受原材料和膜制備工藝限制，全世界達(dá)成量產(chǎn)的企業(yè)很少。
太原理工大學(xué)膜科學(xué)技術(shù)團(tuán)隊(duì)從國(guó)家急迫需要和長(zhǎng)遠(yuǎn)需求出發(fā)，在中空纖維氣體分離膜關(guān)鍵核心技術(shù)上全力攻堅(jiān)，短短幾年便完成從項(xiàng)目研發(fā)到批量生產(chǎn)、工業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，打破國(guó)外壟斷，實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。其成果斐然、意義重大，令人振奮和感動(dòng)。
只有把關(guān)鍵核心技術(shù)掌握在自己手中，才能從根本上保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全、國(guó)防安全和其他安全。未來(lái)，膜科學(xué)技術(shù)團(tuán)隊(duì)將持續(xù)秉承勇攀高峰、敢為人先的創(chuàng)新精神，不斷向科學(xué)技術(shù)廣度和深度進(jìn)軍，努力實(shí)現(xiàn)更多“從0到1”的突破，加快推動(dòng)我國(guó)氣體分離膜產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)、前沿引領(lǐng)技術(shù)、現(xiàn)代工程技術(shù)、顛覆性技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用。
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