曲旋在实验室
在全球能源格局深刻变革、我国天然气对外依存度持续攀升的背景下，一场以煤炭为“钥匙”开启天然气自主供应大门的科技攻坚战正在打响。近日，中国科学院山西煤炭化学研究所副研究员曲旋及其团队成员，历经数年攻克煤直接催化加氢气化制天然气技术难题，不仅为中低阶煤炭资源化利用开辟新路径，也为缓解我国能源安全困境提供了创新方案。
在能源安全“卡脖子”处发力
“目前，我国天然气对外依存度已攀升至42.3%，天然气供应‘卡脖子’的风险日益严峻。”谈及项目背景时，曲旋这样说道，“我国中低阶煤炭资源储量丰富且化学活性良好，是直接制取天然气的优质理想原料。”在此情况下，发展煤制天然气成为弥补天然气供应缺口的有效途径。然而，传统煤制天然气工艺多采用鲁奇炉，该技术虽成熟，但存在诸多明显缺陷，如对原料煤的要求苛刻、生产过程中会产生大量废水且热效率较低，这些问题导致生产成本居高不下。
曲旋团队将研究方向聚焦于国际前沿的“直接催化加氢气化”路线，试图通过催化剂设计与反应机理创新，实现煤炭在温和条件下定向转化为甲烷。“我们的设计理念是：生成甲烷的路径越短，热效率、甲烷收率越高、成本越低。”曲旋解释道。
传统工艺中，煤炭需先气化为合成气，再通过甲烷化反应生成甲烷，能量损耗大且副产物多。而直接加氢气化技术，使煤炭与氢气一定条件下直接反应生成甲烷，理论甲烷收率可达90%以上。
技术路线虽清晰，实践却充满挑战。实验中发现，即使在相对苛刻的反应条件下（850℃~1000℃；3MPa~5MPa）下，碳转化率仍然较低（50%~60%），且剩余碳的高效利用较困难。为了攻克剩余碳高效转化为甲烷的难题，曲旋带领团队开启“白加黑”攻关模式：白天在实验室调试反应参数和催化剂配方，晚上整理数据优化模型，累计完成超过2000组对比实验。
“关键核心技术买不来、讨不来，只能靠自己啃硬骨头。”曲旋回忆道。经过不懈努力，发现煤与氢气反应之所以转化率低是因为煤结构在受热过程中会逐渐向石墨化方向演变，进而降低碳与氢气的反应速率；已经石墨化后的碳结构即使使用催化剂对碳氢反应速率的提升程度也比较有限。在认识清楚核心问题之后，解决问题的思路也就明朗了：利用催化剂延缓煤中碳结构的石墨化进程的同时提高碳氢气化反应的速率。
最终曲旋团队开发出了过渡金属—碱土金属复合催化剂，在相对温和的条件下把催化剂直接负载在原煤上，可将煤的碳转化率提高至92%，同时甲烷的收率也由31%提升至80%。该技术与水蒸气气化—合成气甲烷化两步法、煤水蒸气催化气化法、煤加氢气化法等其他主流路径相比，在甲烷产率、经济性、热效率等方面优势明显。
用“工匠精神”打磨技术细节
技术突破仅是第一步，工业化应用才是终极目标。这背后是常人难以想象的艰辛。曲旋读博期间，曾于2006~2008年在陕西省府谷县待了3年，他回忆道：“那3年，除了回研究所汇报工作，其他时间我就扎扎实实在炉子边蹲守着，‘基本功’就是在那时练出来的。”
府谷县的3年，曲旋不仅收获了丰富的实践经验，也与当地煤炭企业建立了深厚的情谊，了解了他们的行业痛点与发展困境。
“正因为看到他们的不容易，我在做科研时会着重考虑两个重要因素：一是技术的成熟性，二是投产后的经济性。科研绝非仅是实验室中那场追求完美的表演，其真正的使命在于攻克真实世界里纷繁复杂的难题。”秉持着这样的理念，曲旋带领团队针对我国典型煤区（山西无烟煤、陕西长焰煤、内蒙古褐煤、淮南气煤、准东低变质煤）的不同煤种，开展了系统性的试验，依据优化后的原料粒度、反应时间和气化温度及氢压等关键参数，确定了加压流化床作为煤催化加氢气化制甲烷过程的适宜反应器型式，并根据气化炉内颗粒的演变特性，优化了反应器结构。
为了进一步提高该技术的市场接受度，曲旋带领团队对煤催化加氢气化整体工艺流程进行多次打磨、优化，提出了两段炉工艺，并验证了廉价混合气代替纯氢的可行性，降低甲烷生产成本的同时提高过程的经济性。此外，团队还开发了一套智能优化算法，能够根据不同的原料特性和生产需求，自动优化反应炉的运行参数，实现整个气化系统的高效、稳定运行。
让技术创新经得起市场检验
曲旋是土生土长的山西人，他身上既具备科技工作者锐意进取的创新精神，又有着“老西儿”骨子里那种精打细算、务实节俭的“抠劲”。他心里十分清楚，能源技术唯有精准算好“经济账”“环境账”“资源账”，才能真正实现落地应用。为此，团队专门构建了全生命周期评价体系，针对不同工艺路径展开全面且细致的对比分析。
在经济层面，催化加氢气化技术展现出强大的降本增效能力与市场竞争力，该技术采用新疆地区的中低阶煤作为原料，这种煤价格约为150元/吨，相比传统工艺，成本降低了40%。在设备方面，以年产20亿立方米甲烷的规模为例，使用传统工艺需要10台气化炉反应器，采用该技术后，只需3台即可满足生产需要。而且，该技术合成的天然气可直接接入西气东输天然气管网，尤其适用于新疆等地。
在环境方面，该技术坚持绿色低碳发展理念，筑牢环保底线。通过优化反应路径，单位产品的碳排放量较传统煤制气降低了45%；如果配套使用绿氢（由可再生能源制得的氢气），甚至可以实现近零排放，有效减轻了对环境的污染。
在资源利用方面，该技术为盘活存量资源、保障能源安全提供了新途径。我国中低阶煤储量占比较大，技术能够将这些煤炭转化为清洁的天然气。按照当前的技术指标测算，年处理1亿吨煤炭可生产400亿立方米的天然气，相当于替代进口液化天然气（LNG）3000万吨，可显著提升我国的能源自给率。目前，研发团队正在与多家企业洽谈，计划在陕北、内蒙古、新疆等地建设示范项目。曲旋还透露，下一代技术将聚焦于煤耦合生物质/CO2共催化加氢甲烷化新工艺，最终实现“负碳煤制天然气”的目标。
这场由煤炭引发的能源变革，不仅关乎技术参数的优化，更承载着中国科技工作者突破资源约束、保障能源安全的使命担当。当蓝色的气焰从反应器中喷薄而出时，我们看到的不仅是甲烷分子的重组，更是一个大国能源自主的希望之光。
科学导报记者 隋萌/文 刘娜/图
