隆冬時節(jié)，內(nèi)蒙古華電達茂旗20萬千瓦新能源制氫示范工程項目的土建施工正在如火如荼地進行。負責建設的，是中國華電科工集團有限公司華電重工氫能事業(yè)部。
隨著“雙碳”目標的提出，氫能作為清潔高效的二次能源備受關注。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、藍氫、綠氫。
“綠氫燃燒時只產(chǎn)生水，從源頭上實現(xiàn)了二氧化碳零排放，是純正的綠色新能源。”中國華電氫能技術研究中心常務副主任、華電重工副總經(jīng)理白建明日前告訴科技日報記者，達茂旗項目將使用華電重工自行開發(fā)、設計、生產(chǎn)的1200Nm³/h堿性電解水制氫設備制備綠氫。為研發(fā)制氫設備的關鍵核心技術——高性能大型電解槽，項目團隊已奮斗十余年。
高性能大型電解槽
首個項目來自揭榜攻關
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人，籌建華電重工煤化工事業(yè)部并擔任總經(jīng)理。
當時，白建明已在電力設計部門工作十年，設計過60萬千瓦的火電機組。雖然有著豐富的工程設計經(jīng)驗，工程設計思路也大致相同，但煤化工畢竟屬于化工行業(yè)。白建明帶領單小勇等初創(chuàng)團隊成員，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，惡補化工方面的知識。
氫氣提取是實現(xiàn)煤炭清潔利用的關鍵。常見的氫氣提取方法有多種，白建明和團隊卻希望打破常規(guī)——不僅要提取氫氣，還要使氫氣與高溫煤焦油發(fā)生反應，制取高品質(zhì)的柴油及石腦油，實現(xiàn)“變廢為寶”。
幾個月后，他們通過計算機模擬，做了初步驗證，接著請專家把脈，進一步細化技術方案。
2013年的一天，白建明無意間從電視上看到，因為夜晚偷排煤炭焦化產(chǎn)生的煤氣，河南一家焦化廠被曝光了。
焦化廠的副產(chǎn)品是焦爐煤氣和煤焦油，焦爐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。
白建明馬上意識到，煤焦油加氫技術有了用武之地。他找到該焦化廠，揭下了攻關的“榜單”，并簽訂了“軍令狀”。這也是事業(yè)部的首個項目。
要將思路及技術實驗方法變成現(xiàn)實，首當其沖是找個設計院。
因為突破了常規(guī)設計方法，一般設計院不敢接單，好不容易才有一家化工設計院應承下來。
最初合作很順利，然而隨著設計的深入，對方認為項目可操作性不強，也不想承擔風險，退還了設計費。
工期本身就吃緊，設計院的中途退出，讓大家慌了神：項目如果不能如期完成，將面臨高額罰款。
沒有退路，白建明和團隊只能邊研究技術邊做設計。幾個月后，設計做完了，真實場景的試驗開始了。
因為氫能專業(yè)技術儲備不足，相關裝備制造與工程設計經(jīng)驗不豐富，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)過及時調(diào)整，項目終于如期完工了。當產(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，還真正實現(xiàn)了物盡其用。
項目大獲成功，很多人聞訊后上門來找白建明。依靠轉(zhuǎn)讓技術工藝包，2014年，事業(yè)部年盈利上千萬元。
在別人放棄的時候堅持走下去
接下來，形勢又發(fā)生了變化。
焦爐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)而鼓勵發(fā)展可再生能源。中國華電隨之大力推進可再生能源布局。
沒有了訂單，自負盈虧的事業(yè)部首先面臨人員工資發(fā)放難的問題。團隊成員在互相勉勵、共克時艱的同時，堅持苦練內(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。
在接下來的四年半里，單小勇等團隊成員承擔了集團十余項科技攻關項目，圍繞國內(nèi)規(guī)模化制綠氫的首選技術路線——堿性及質(zhì)子交換膜水電解制氫方法開展攻關，并通過與風電、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)模化制備的核心設備，高電流密度的隔膜又是電解槽的關鍵，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)構主要圍繞火電建設布局，沒有相關實驗室，白建明和團隊選擇了與高校合作。
2019年，校企雙方對隔膜進行了幾個月實驗和研究，四個研究小組查閱資料、咨詢專家、反復實驗、不斷調(diào)整方案，終于成功研究出復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用，其中一項是監(jiān)測膜的機械強度、厚度等指標。瀘定項目電解水制氫系統(tǒng)核心研發(fā)人員侯朋飛博士帶領團隊將指標做出曲線圖，并逐一分析。當半年多的監(jiān)測數(shù)據(jù)匯成一本上千頁的分析報告后，膜終于過關了。
向跨學科創(chuàng)新要成果
機會偏愛有準備的人。
隨著“雙碳”目標的提出，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)展進入快車道。
2021年，白建明再次揭榜，攬下集團的可再生能源制氫關鍵技術研究及核心裝備開發(fā)任務，目標是研發(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，其運行電流密度提高約30%，整體重量減少近10%，直流能耗指標小于4.6千瓦時每標方氫氣。
看似一帆風順，但高性能大型電解槽組裝工藝負責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：當將最上面端壓板蓋上，穿完所有拉緊螺栓，準備實施電解槽冷緊時，發(fā)現(xiàn)液壓拉伸器和螺栓上的螺紋不匹配，而這將可能導致該批次產(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。機加工師傅用一個晚上進行配修，終于使螺紋符合設計尺寸。
“跨學科的創(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。
黨的二十大報告提出，推動能源清潔低碳高效利用，推進工業(yè)、建筑、交通等領域清潔低碳轉(zhuǎn)型。
“二十大報告為綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展指明了方向、提供了遵循!”白建明說，下一步團隊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。
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