隆冬时节,内蒙古华电达茂旗20万千瓦新能源制氢示范工程项目的土建施工正在如火如荼地进行。负责建设的,是中国华电科工集团有限公司华电重工氢能事业部。

随着“双碳”目标的提出,氢能作为清洁高效的二次能源备受关注。根据生产来源和生产过程中的排放情况,氢能又被分别冠名为灰氢、蓝氢、绿氢。

“绿氢燃烧时只产生水,从源头上实现了二氧化碳零排放,是纯正的绿色新能源。”中国华电氢能技术研究中心常务副主任、华电重工副总经理白建明日前告诉科技日报记者,达茂旗项目将使用华电重工自行开发、设计、生产的1200Nm³/h碱性电解水制氢设备制备绿氢。为研发制氢设备的关键核心技术——高性能大型电解槽,项目团队已奋斗十余年。

首个项目来自揭榜攻关

2012年,煤炭清洁利用成为热门话题。42岁的白建明带着三四个人,筹建华电重工煤化工事业部并担任总经理。

当时,白建明已在电力设计部门工作十年,设计过60万千瓦的火电机组。虽然有着丰富的工程设计经验,工程设计思路也大致相同,但煤化工毕竟属于化工行业。白建明带领单小勇等初创团队成员,采用最笨的办法——每人买来十几本煤炭清洁利用、化工炼油等方面的书,恶补化工方面的知识。

氢气提取是实现煤炭清洁利用的关键。常见的氢气提取方法有多种,白建明和团队却希望打破常规——不仅要提取氢气,还要使氢气与高温煤焦油发生反应,制取高品质的柴油及石脑油,实现“变废为宝”。

几个月后,他们通过计算机模拟,做了初步验证,接着请专家把脉,进一步细化技术方案。

2013年的一天,白建明无意间从电视上看到,因为夜晚偷排煤炭焦化产生的煤气,河南一家焦化厂被曝光了。

焦化厂的副产品是焦炉煤气和煤焦油,焦炉煤气直接排放于大气中污染环境;产生的煤焦油要么被填埋,要么被简单利用,附加值很低。

白建明马上意识到,煤焦油加氢技术有了用武之地。他找到该焦化厂,揭下了攻关的“榜单”,并签订了“军令状”。这也是事业部的首个项目。

要将思路及技术实验方法变成现实,首当其冲是找个设计院。

因为突破了常规设计方法,一般设计院不敢接单,好不容易才有一家化工设计院应承下来。

最初合作很顺利,然而随着设计的深入,对方认为项目可操作性不强,也不想承担风险,退还了设计费。

工期本身就吃紧,设计院的中途退出,让大家慌了神:项目如果不能如期完成,将面临高额罚款。

没有退路,白建明和团队只能边研究技术边做设计。几个月后,设计做完了,真实场景的试验开始了。

因为氢能专业技术储备不足,相关装备制造与工程设计经验不丰富,调试中难免遇到种种问题。比如管道阀门选型不对、氢气发生泄露等。

经过及时调整,项目终于如期完工了。当产品做出来的那一刻,对方董事长流泪了——这不仅解决了企业的减排问题,还真正实现了物尽其用。

项目大获成功,很多人闻讯后上门来找白建明。依靠转让技术工艺包,2014年,事业部年盈利上千万元。

在别人放弃的时候坚持走下去

接下来,形势又发生了变化。

焦炉煤气中提取的是灰氢,作为煤炭焦化过程中的工业副产品,生产过程中会排放二氧化碳等温室气体。2016年,政策上减少对煤炭行业支持,转而鼓励发展可再生能源。中国华电随之大力推进可再生能源布局。

没有了订单,自负盈亏的事业部首先面临人员工资发放难的问题。团队成员在互相勉励、共克时艰的同时,坚持苦练内功,通过大量的调研与分析,寻找适合自身发展的突破点。

在接下来的四年半里,单小勇等团队成员承担了集团十余项科技攻关项目,围绕国内规模化制绿氢的首选技术路线——碱性及质子交换膜水电解制氢方法开展攻关,并通过与风电、光伏、水电等可再生能源的耦合,打通绿电制绿氢的工艺路线。

水电解制氢,通俗地说,就是通过电解的方式,将水分子分解成氢和氧。大型化、高性能的电解槽是绿氢规模化制备的核心设备,高电流密度的隔膜又是电解槽的关键,否则氢气、氧气混合容易发生爆炸。

华电重工原有的产业结构主要围绕火电建设布局,没有相关实验室,白建明和团队选择了与高校合作。

2019年,校企双方对隔膜进行了几个月实验和研究,四个研究小组查阅资料、咨询专家、反复实验、不断调整方案,终于成功研究出复合隔膜的配方和生产工艺。

2020年,100Nm³/h的电解槽在四川泸定开始示范应用,其中一项是监测膜的机械强度、厚度等指标。泸定项目电解水制氢系统核心研发人员侯朋飞博士带领团队将指标做出曲线图,并逐一分析。当半年多的监测数据汇成一本上千页的分析报告后,膜终于过关了。

向跨学科创新要成果

机会偏爱有准备的人。

随着“双碳”目标的提出,作为电网、热网、气网“三网”协调发展的纽带,氢能发展进入快车道。

2021年,白建明再次揭榜,揽下集团的可再生能源制氢关键技术研究及核心装备开发任务,目标是研发1200Nm³/h电解槽。

仅仅一年后,1200Nm³/h碱性电解槽产品下线,相较传统电解槽,其运行电流密度提高约30%,整体重量减少近10%,直流能耗指标小于4.6千瓦时每标方氢气。

看似一帆风顺,但高性能大型电解槽组装工艺负责人张士朝至今难忘碱性电解槽组装中“惊出了一身冷汗”的经历:当将最上面端压板盖上,穿完所有拉紧螺栓,准备实施电解槽冷紧时,发现液压拉伸器和螺栓上的螺纹不匹配,而这将可能导致该批次产品全部返工!经过连夜排查,科研人员最终发现,拉紧螺栓的外螺纹加工工艺存在问题。机加工师傅用一个晚上进行配修,终于使螺纹符合设计尺寸。

“跨学科的创新很难,但也容易出成果。”这是白建明一路走来的最大感触。

党的二十大报告提出,推动能源清洁低碳高效利用,推进工业、建筑、交通等领域清洁低碳转型。

“二十大报告为绿色低碳转型发展指明了方向、提供了遵循!”白建明说,下一步团队将致力于加快突破氢能产业发展瓶颈,全力打造具有华电特色的绿色氢能产业链。

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