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红太阳心水:基础研究破解生物质高效利用瓶颈

时间:2019-05-06 16:55

    

来源:未知

    

发布人:admin

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  众所周知,我国拥有大量的秸秆、稻壳、林业剩余物等农林生物质,如何环保、高效地利用这些资源,是社会持续关注的热点问题。热解气化可以将生物质转化为固、液、气三相产物,并可进一步用于活性炭、炭基肥、液体肥、化学品以及发电、供热等领域,是目前行业内很有前景的一种利用方式。

  面对生物质热解气化多联产的发展需求,南京林业大学新能源科学与工程系副教授陈登宇课题组,通过突破该技术瓶颈背后的基础科学问题多元预处理组合效应、热解挥发分的析出机理与三相产物调控机制,促进了生物质多联产基础研究走向应用。

  近5年来,陈登宇以第一作者在多个国际知名期刊发表了16篇SCI论文,其中SCI一区论文10篇,5篇论文入选“ESI高被引论文”,1篇同时入选“ESI热点论文”。他的研究工作也启发了更多科研工作者对于生物质高效利用的新思考。

  农林生物质具有氧含量高、亲水性强、热值低、灰分多等缺点,限制了生物质利用技术的进一步发展。陈登宇表示,生物质高氧含量是导致热解产物生物油氧含量高的直接原因。生物质中还含有大量的水分,过多的水分往往会延迟热解反应、增加供热成本和破坏热解液化产物的稳定性。

  烘焙脱氧预处理是一种在常压、隔绝氧气的情况下,反应温度介于200~300℃之间的慢速热解过程。“在攻读博士学位期间,我就开始生物质烘焙脱氧预处理的研究了。”陈登宇发现,这种适度的热处理过程能够破坏生物质的纤维结构,使生物质变得易磨,另外还能有效地降低生物质中的氧元素,提高能量密度,改善生物质的C/O值。同时,烘焙后生物质疏水性增强,这使得它在储存的过程中不易产生水分的重吸收,提高了生物质原料的存储稳定性。

  以往生物质烘焙研究主要专注于固体产物,难以全面揭示烘焙脱氧机理。通过不断的研究,陈登宇指出,脱氧是生物质改性提质的核心,也是获得高品质原料的关键。陈登宇带领本专业研究生系统、定量分析了生物质烘焙固、液和气三相产物,并从氧元素和碳元素迁移的角度揭示了以脱羟基、脱羧基等反应为核心的烘焙脱氧机理,发现了脱水反应是烘焙脱氧的核心因素,同时定量给出了烘焙脱氧数据,如半纤维素、纤维素和木质素经210-300℃烘焙后,分别有19.76%~71.11%、5.85%~33.27%和16.28%~44.89%的氧元素通过H2O、CO2和CO转移与脱除。该研究结果为生物质改性提质提供了理论依据和科学指导。

  陈登宇在农林剩余物高质化,尤其是烘焙脱氧研究方面一做就是十年。谈起工作的初心,他说:“我来自农村,自小跟柴火打交道,喂牛喂羊烧饭都用它,但现在没人用了,成了废弃物,每次回老家看到很多柴火废弃在田间地头,我感到非常可惜。要提高生物质原料的利用率,我想还是先把原料自身的品质提升起来。”陈登宇说,烘焙脱氧预处理是一个很热门的研究方向,还有很多深层次的科学问题需要解决。他接下来要开展一个很有挑战性的工作,就是把氧元素在整个热解多联产流程中的重组与迁移机理弄明白,做一个氧元素的迁移路线图。

  烘焙脱氧预处理减少了生物质原料中的水分和氧含量,进而提高热解产物品质。“但我们也发现烘焙预处理有一个副作用,就是使得生物质中灰分及金属元素含量增加,而后者对热解挥发分具有强烈的二次裂解作用,会降低高价值化学品的产率。”陈登宇说,“脱灰是抑制生物质二次裂解反应的关键,也是获得高价值化学品的重要途径。”

  传统酸洗脱灰一般用稀盐酸洗涤原料,成本较高并可能造成污染。有机酸也具有很好的脱灰效果。但到哪儿找那么多廉价的有机酸呢?陈登宇发现,生物质烘焙脱氧实验产生的烘焙液本身就含有较多的酸类物质,不仅如此,生物质热化学转化产生的一些液体副产物,如生物质热解油分层后出现的水相生物油,还有轻质竹木醋液、气化焦油的上层澄清液等,都含有大量的水分和有机酸。

  “我们完全可以尝试用它对生物质进行洗涤预处理。”这项工作涉及木材科学与技术、热能工程等多学科的专业知识。陈登宇联系浙江农林大学具有多学科和工程实践背景的副教授马中青一起开展相关实验,实验结果令他们欣喜。研究发现,经过洗涤预处理后,生物质碱金属和碱土金属脱除率达到90%以上,强于同pH值的无机酸洗,并显著降低对左旋葡聚糖等化学品的催化分解作用。

  由此,陈登宇课题组提出了生物质“油洗脱灰”预处理方法,并与烘焙脱氧相结合,利用油洗液差异性和烘焙条件多样性的组合效应,强化脱除农林生物质原料中的灰分、金属元素和氧元素。在此基础上,陈登宇提出了脱灰脱氧耦合催化热解提升产物品质的研究思路,不仅为液体副产物提供了新的利用途径,而且在生物质酸洗领域拓展了一个新的研究方向。

  “我们工作的创新性主要是利用了生物质烘焙或热解气化产生的目前难以利用的液体或废液,同时发挥了多元预处理方法的组合效应,制备了较高品质的生物质热解产物。”陈登宇这样总结。

  科研探索的都是未知世界,会有很多难题。生物质洗涤预处理实验遇到最大的问题就是如何过滤。“由于洗涤液酸性较强,生物质原料颗粒也很小,我们用抽滤方法抽了几个小时还没有把200多毫升的洗涤液过滤完,滤纸也经常破损。”陈登宇尝试了很多方法,包括买了一些尼龙布用来过滤,但在干燥样品的时候又出现了腐蚀的问题。最后,他们决定用1000目的金属网筛过滤,才解决了洗涤液过滤和洗涤物干燥的问题。

  “做研究是一个很有意思的事!”陈登宇说,把一个个小的科学问题做好了,就能把整条线串联起来。他目前正在做的工作就是把“烘焙脱氧、油洗脱灰、催化热解/定向气化、产物提质与分级利用”串联耦合起来,把整个生物质多联产的热解链打通。

  “发表论文只是基础研究的一方面,科学研究不能唯论文,不接地气。”多年来,陈登宇通过解决生物质原料及其热解气化过程中的科学问题,加快了生物质基础研究走向应用的步伐。

  我国环境污染问题非常突出,室内空气污染是继“煤烟型”“化学烟雾型”污染之后的第三个标志性的空气污染时期。随着人们环保意识的日益增强,绿色发展等理念深入人心,对空气净化用产品的需求日益增长。

  陈登宇发现,生物质炭是生物质热解气化的固体产物。将生物质炭进一步加工成特殊用途的活性炭,具有很好的研究与应用前景。他利用被省科技厅选派为江苏省企业创新岗“特聘专家”(科技副总)的机会,于2018年主持建成年产1000吨空气净化用复合活性炭中试生产线条,取得良好经济和环境效益。目前正在建设的年利用2万吨竹木废弃物2.5兆瓦热解气化发电联产炭示范工程将于2020年验收。他还利用入选江苏省“六大人才高峰”“333高层次人才工程”等省级人才计划的机会,调研多家生物质热解气化发电、供热和活性炭生产企业,在工厂实际生产中寻找新的突破口。近年来,陈登宇还作为骨干成员参与了南京林大周建斌教授领衔的生物质热解气化多联产的科技攻关,基础研究成果应用于生物质能源工程,核心成果获得了梁希林业科学技术奖一等奖、江苏省科学技术奖一等奖。

  陈登宇告诉《中国科学报》,在新能源产业中,生物质能源占据十分重要的地位,今后他们会进一步将研究成果应用于技术工程中,脚踏实地,攻坚克难。

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