中国科学院过程工程研究所 曹宏斌：探索工业减碳降污新方法

工业降碳减污是实现我国“双碳”目标的关键环节。工业领域的绿色低碳转型，推动了绿色技术的进步与产业升级，为培育产业竞争优势提供了新的机遇。

 

如何研发工业生产全过程降碳减污的新方法？如何让企业在降碳减污过程中，更好地实现转型和发展？这是中国科学院过程工程研究所研究员曹宏斌一直在思考的问题。

 

多年来，曹宏斌带领团队面向工业降碳减污的重大需求，重点在流程制造业开展科技创新与工程实践，为行业提供了关键的核心技术和工程案例。

 

研发绿色发展技术

 

化工、钢铁、有色、医药、建材等流程制造业在国计民生方面具有十分重要的战略地位。在曹宏斌看来，流程制造业实现绿色低碳发展的难点在于多目标的同时实现。

 

“绿色发展要求企业降碳减污，但同时企业的生存需要盈利，这就要求二者兼顾，实现产品生产与末端处理的总成本最小化。”曹宏斌说。

 

实现深度分离，是工业减污降碳非常重要和有效的环节。通过分离，将水、空气等介质中的有毒有害物质浓度降低，满足排放标准，同时尽量将这些组分浓缩成有价产品。

 

“据统计，我国现有的工业生产中，60%以上的‘三废’（废水、废气和固体废弃物）是由于分离不彻底导致的，而且分离过程的能耗在整个工业过程中占比超过50%。”曹宏斌介绍。

 

2006年，一家来自辽宁葫芦岛的企业找到曹宏斌。企业堆积了大量的钒铬渣，由于钒铬深度分离及含重金属氨氮废水处理问题没有得到解决，前期投入的数千万元几乎打了水漂。

 

“钒和铬两个元素的结构性质非常相近，深度分离起来是个难题。”看到企业的难处之后，年轻的曹宏斌在中国工程院院士、过程工程所研究员张懿的支持和帮助下迎难而上，欣然接受了这个考验。经过5年艰苦的基础研究、技术研发和工程应用，他带领团队成功建立了钒铬渣高效利用新工艺和国内外首座产业化工程，解决了钒铬深度分离、重金属和氨深度分离等难题，实现了污染物近零排放，使总资源利用率提高30%以上。这项成果获得2013年国家技术发明奖二等奖。

 

“科研成果要更好地实现工业应用，帮助企业解决污染问题的同时，还要想办法提高经济效益。”曹宏斌说。

 

解决企业实际问题

 

在20多年的科研生涯中，曹宏斌有两个“战场”——一个是实验室，一个是工厂车间。

 

“实验室研究为新技术提供了技术指标可达性的尝试，而工厂车间现场研究则是在此基础上进一步验证新技术的稳定性和经济性。”曹宏斌说。

 

这些年，曹宏斌常常奔走在解决企业实际问题的一线，与科研团队和企业技术人员一起想办法、搞试验，确保工程不出差错。

 

在葫芦岛攻克钒铬分离难题时，为了确保工程试验顺利进行，曹宏斌和团队成员24小时轮班“在线”。一旦现场出现问题，必须马上解决，几乎长时间处于高压状态。几年下来，曹宏斌的头发熬白了一半。

 

“为了降低工程风险，我们做了中试，前6次全部失败，直到第七次才试验成功。”曹宏斌说，“虽然压力很大，但是工程成功带来的成就感更大。”

 

从葫芦岛、鞍山到攀枝花、吐鲁番、三门峡，再到天津、长沙……这些年，许多企业在曹宏斌团队的技术支持下陆续解决了污染处理问题。他认为，在工业生产过程中，废气、废水与固废通常是同时存在、直接相关。为此，工业污染治理要建立气—水—固污染的跨介质高效协同机制。

 

除此之外，曹宏斌团队还在锂电池固废处理技术上取得技术突破，形成了信息平台搭建—有价组分高效分离―介质循环与二次污染控制技术研发—集成与工程应用优化—行业标准制定的贯通研究。

 

“高效处理废锂电池能够将其中高附加值的关键金属等回收再利用，同时消除废锂电池及处理过程对环境的污染和安全隐患。”曹宏斌说，团队相关研究成果目前已服务国内60%以上的产能。

 

实现治污系统优化

 

独立思考、勇于实践、善于合作、快乐健康——这是曹宏斌对科研团队的希望。

 

“我所从事的研究领域属于多学科交叉，我一直提倡年轻科研人员相互学习，勇于探索未知领域，寻找新的方法和结论。”曹宏斌说，目前他的研究团队成员研究领域横跨多个专业，“有研究催化的、分离的，有搞系统工程的、环境的，有做基础研究的、做应用的……每个人都要有综合性的思考、做贯通式的研究，这是我对团队的要求。”

 

在曹宏斌看来，经过广大科研人员的不断努力以及企业实践，我国工业污染治理的技术水平已经实现了从“跟跑”到“领跑”的转变，但在新污染物的高效控制技术、高精度单元模型构建技术、高效反应/分离新材料与药剂等方面仍面临着很多难题和考验。

 

“以高精度单元模型为例，人们对流程制造业生产中的化学反应过程认知不足，很难像对物理过程那样精准建模。”曹宏斌说，“如果能够解决这一难题，那么少人甚至无人的智慧工厂就可以在流程制造业实现更广泛的应用。”

 

曹宏斌介绍，团队数十年的科研与工业实践以及人工智能、大数据等技术的快速发展，为探索新的工业降碳减污技术提供了基础。他和团队下一步计划重点开展机理——数据双驱动强化工业减污降碳的理论、技术与应用研究。

 

“工业降碳减污是一个系统工程，不能仅通过局部优化解决问题，更重要的是将不同单元的技术进行集成，实现系统优化。”曹宏斌说。