灰氫之后是綠氫——華電重工的氫能技術(shù)研發(fā)故事

隆冬時(shí)節(jié)，內(nèi)蒙古華電達(dá)茂旗20萬千瓦新能源制氫示范工程項(xiàng)目的土建施工正在如火如荼地進(jìn)行。負(fù)責(zé)建設(shè)的，是中國華電科工集團(tuán)有限公司氫能事業(yè)部。

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，氫能作為清潔高效的二次能源備受關(guān)注。根據(jù)生產(chǎn)來源和生產(chǎn)過程中的排放情況，氫能又被分別冠名為灰氫、藍(lán)氫、綠氫。

“綠氫燃燒時(shí)只產(chǎn)生水，從源頭上實(shí)現(xiàn)了二氧化碳零排放，是純正的綠色新能源。”中國華電氫能技術(shù)研究中心常務(wù)副主任、華電重工副總經(jīng)理白建明日前告訴科技日報(bào)記者，達(dá)茂旗項(xiàng)目將使用華電重工自行開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的1200Nm3/h堿性電解水制氫設(shè)備制備綠氫。為研發(fā)制氫設(shè)備的關(guān)鍵核心技術(shù)——高性能大型電解槽，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已奮斗十余年。

首個(gè)項(xiàng)目來自揭榜攻關(guān)

2012年，煤炭清潔利用成為熱門話題。42歲的白建明帶著三四個(gè)人，籌建華電重工煤化工事業(yè)部并擔(dān)任總經(jīng)理。

當(dāng)時(shí)，白建明已在電力設(shè)計(jì)部門工作十年，設(shè)計(jì)過60萬千瓦的火電機(jī)組。雖然有著豐富的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，工程設(shè)計(jì)思路也大致相同，但煤化工畢竟屬于化工行業(yè)。白建明帶領(lǐng)單小勇等初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)成員，采用最笨的辦法——每人買來十幾本煤炭清潔利用、化工煉油等方面的書，惡補(bǔ)化工方面的知識(shí)。

氫氣提取是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔利用的關(guān)鍵。常見的氫氣提取方法有多種，白建明和團(tuán)隊(duì)卻希望打破常規(guī)——不僅要提取氫氣，還要使氫氣與高溫煤焦油發(fā)生反應(yīng)，制取高品質(zhì)的柴油及石腦油，實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”。

幾個(gè)月后，他們通過計(jì)算機(jī)模擬，做了初步驗(yàn)證，接著請專家把脈，進(jìn)一步細(xì)化技術(shù)方案。

2013年的一天，白建明無意間從電視上看到，因?yàn)橐雇硗蹬琶禾拷够a(chǎn)生的煤氣，河南一家焦化廠被曝光了。

焦化廠的副產(chǎn)品是焦?fàn)t煤氣和煤焦油，焦?fàn)t煤氣直接排放于大氣中污染環(huán)境；產(chǎn)生的煤焦油要么被填埋，要么被簡單利用，附加值很低。

白建明馬上意識(shí)到，煤焦油加氫技術(shù)有了用武之地。他找到該焦化廠，揭下了攻關(guān)的“榜單”，并簽訂了“軍令狀”。這也是事業(yè)部的首個(gè)項(xiàng)目。

要將思路及技術(shù)實(shí)驗(yàn)方法變成現(xiàn)實(shí)，首當(dāng)其沖是找個(gè)設(shè)計(jì)院。

因?yàn)橥黄屏顺Ｒ?guī)設(shè)計(jì)方法，一般設(shè)計(jì)院不敢接單，好不容易才有一家化工設(shè)計(jì)院應(yīng)承下來。

最初合作很順利，然而隨著設(shè)計(jì)的深入，對方認(rèn)為項(xiàng)目可操作性不強(qiáng)，也不想承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，退還了設(shè)計(jì)費(fèi)。

工期本身就吃緊，設(shè)計(jì)院的中途退出，讓大家慌了神：項(xiàng)目如果不能如期完成，將面臨高額罰款。

沒有退路，白建明和團(tuán)隊(duì)只能邊研究技術(shù)邊做設(shè)計(jì)。幾個(gè)月后，設(shè)計(jì)做完了，真實(shí)場景的試驗(yàn)開始了。

因?yàn)闅淠軐I(yè)技術(shù)儲(chǔ)備不足，相關(guān)裝備制造與工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不豐富，調(diào)試中難免遇到種種問題。比如管道閥門選型不對、氫氣發(fā)生泄露等。

經(jīng)過及時(shí)調(diào)整，項(xiàng)目終于如期完工了。當(dāng)產(chǎn)品做出來的那一刻，對方董事長流淚了——這不僅解決了企業(yè)的減排問題，還真正實(shí)現(xiàn)了物盡其用。

項(xiàng)目大獲成功，很多人聞?dòng)嵑笊祥T來找白建明。依靠轉(zhuǎn)讓技術(shù)工藝包，2014年，事業(yè)部年盈利上千萬元。

在別人放棄的時(shí)候堅(jiān)持走下去

接下來，形勢又發(fā)生了變化。

焦?fàn)t煤氣中提取的是灰氫，作為煤炭焦化過程中的工業(yè)副產(chǎn)品，生產(chǎn)過程中會(huì)排放二氧化碳等溫室氣體。2016年，政策上減少對煤炭行業(yè)支持，轉(zhuǎn)而鼓勵(lì)發(fā)展可再生能源。中國華電隨之大力推進(jìn)可再生能源布局。

沒有了訂單，自負(fù)盈虧的事業(yè)部首先面臨人員工資發(fā)放難的問題。團(tuán)隊(duì)成員在互相勉勵(lì)、共克時(shí)艱的同時(shí)，堅(jiān)持苦練內(nèi)功，通過大量的調(diào)研與分析，尋找適合自身發(fā)展的突破點(diǎn)。

在接下來的四年半里，單小勇等團(tuán)隊(duì)成員承擔(dān)了集團(tuán)十余項(xiàng)科技攻關(guān)項(xiàng)目，圍繞國內(nèi)規(guī)模化制綠氫的首選技術(shù)路線——堿性及質(zhì)子交換膜水電解制氫方法開展攻關(guān)，并通過與風(fēng)電、光伏、水電等可再生能源的耦合，打通綠電制綠氫的工藝路線。

水電解制氫，通俗地說，就是通過電解的方式，將水分子分解成氫和氧。大型化、高性能的電解槽是綠氫規(guī)模化制備的核心設(shè)備，高電流密度的隔膜又是電解槽的關(guān)鍵，否則氫氣、氧氣混合容易發(fā)生爆炸。

華電重工原有的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)主要圍繞火電建設(shè)布局，沒有相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，白建明和團(tuán)隊(duì)選擇了與高校合作。

2019年，校企雙方對隔膜進(jìn)行了幾個(gè)月實(shí)驗(yàn)和研究，四個(gè)研究小組查閱資料、咨詢專家、反復(fù)實(shí)驗(yàn)、不斷調(diào)整方案，終于成功研究出復(fù)合隔膜的配方和生產(chǎn)工藝。

2020年，100Nm3/h的電解槽在四川瀘定開始示范應(yīng)用，其中一項(xiàng)是監(jiān)測膜的機(jī)械強(qiáng)度、厚度等指標(biāo)。瀘定項(xiàng)目電解水制氫系統(tǒng)核心研發(fā)人員侯朋飛博士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將指標(biāo)做出曲線圖，并逐一分析。當(dāng)半年多的監(jiān)測數(shù)據(jù)匯成一本上千頁的分析報(bào)告后，膜終于過關(guān)了。

向跨學(xué)科創(chuàng)新要成果

機(jī)會(huì)偏愛有準(zhǔn)備的人。

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，作為電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)“三網(wǎng)”協(xié)調(diào)發(fā)展的紐帶，氫能發(fā)展進(jìn)入快車道。

2021年，白建明再次揭榜，攬下集團(tuán)的可再生能源制氫關(guān)鍵技術(shù)研究及核心裝備開發(fā)任務(wù)，目標(biāo)是研發(fā)1200Nm3/h電解槽。

僅僅一年后，1200Nm3/h堿性電解槽產(chǎn)品下線，相較傳統(tǒng)電解槽，其運(yùn)行電流密度提高約30%，整體重量減少近10%，直流能耗指標(biāo)小于4.6千瓦時(shí)每標(biāo)方氫氣。

看似一帆風(fēng)順，但高性能大型電解槽組裝工藝負(fù)責(zé)人張士朝至今難忘堿性電解槽組裝中“驚出了一身冷汗”的經(jīng)歷：當(dāng)將最上面端壓板蓋上，穿完所有拉緊螺栓，準(zhǔn)備實(shí)施電解槽冷緊時(shí)，發(fā)現(xiàn)液壓拉伸器和螺栓上的不匹配，而這將可能導(dǎo)致該批次產(chǎn)品全部返工！經(jīng)過連夜排查，科研人員最終發(fā)現(xiàn)，拉緊螺栓的外螺紋加工工藝存在問題。機(jī)加工師傅用一個(gè)晚上進(jìn)行配修，終于使螺紋符合設(shè)計(jì)尺寸。

“跨學(xué)科的創(chuàng)新很難，但也容易出成果。”這是白建明一路走來的最大感觸。

黨的二十大報(bào)告提出，推動(dòng)能源清潔低碳高效利用，推進(jìn)工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域清潔低碳轉(zhuǎn)型。

“二十大報(bào)告為綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展指明了方向、提供了遵循！”白建明說，下一步團(tuán)隊(duì)將致力于加快突破氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸，全力打造具有華電特色的綠色氫能產(chǎn)業(yè)鏈。