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河南省生物质能源重点实验室


一、河南省生物质能源重点实验室简介

       河南省生物质能源重点实验室是河南省唯一专门从事生物质能源研究的省级重点实验室,2003通过国家实验室认可委CNAS认证,2005年由河南省科技厅批准筹建,2009年顺利通过河南省科技厅的验收。实验室占地面积3000多平方米,其中实验面积2500多平方米,拥有固定资产原值近3000万元,拥有各类仪器设备300多台(套)。下设有生物质成型燃料、液体燃料、热解气化及高效燃烧、发电等专业实验室,以及色谱、质谱、红外光谱、热重、元素分析、化学分析、微型反应、元素吸收等公用实验室。实验室实验仪器齐全,实验手段先进,质量管理体系完善。

       实验室拥有专职及兼职科研人员38名,其中中国科学院院士1人,博士生导师10人,教授及研究员19人。拥有固定研究人员26人,其中正高职称5人、副高职称6人、中级职称9人,国家百千万人才1人、国家有突出贡献中青年专家1人、国家863计划可再生能源主题专家组专家1人、国家科技支撑计划农业和村镇建设领域项目专家组专家1人、中原学者1人、国务院特殊津贴专家1人、省管优秀专家2人、省杰出创新人才2人,具有博士学位6人、博士后2人。团队人员专业和年龄结构合理,具有良好的工作作风和团队精神。

       实验室在本研究领域内先后承担科研课题40余项,其中国家或省级重大科研项目17项,省院合作、院市合作、横向项目等10余项;完成科研成果鉴定34项,其中6项达到国际先进水平,26项达到国内领先水平;获成果奖励16项,其中国家科技进步二等奖1项,河南省科技进步一等奖1项、二等奖9项、三等1项,河南省科学院成果一等奖1项、二等奖3项,三等奖1项。申请国家专利35项,其中发明专利19项,已授权4项,实用新型专利16项,全部授权。在国内外学术期刊上发表专业论文80多篇,其中核心论文70多篇,被SCI收录20篇,EI收录21篇。先后开发设计出生物质环模成型设备、平模成型设备、干燥设备、粉碎设备、生物质沸腾气化燃烧装置、上吸式生物质气化炉、生物质气化合成醇醚装置、生物质燃烧炉、生物质干馏装置、发电用生物质成型燃料固定床气化装置等生物质高效利用设备及装置20多种,推广利用设备上千台套。整体上在生物质能源化研究领域处于国内先进水平。

二、主要研究方向

(一)生物质成型燃料技术及设备研究

       研究包括生物质物理化特性、生物质干燥技术与设备、生物质粉碎技术与设备、生物质压缩成型技术与设备、生物质能源化预处理技术配套设备、生物质成型燃料系统一体化自动化技术、生物质收集供应模式研究、生物质成型燃料工业化清洁生产技术、生物质成型燃料技术示范等关键环节。

       在国内首次全面系统研究了生物质的干燥、粉碎、成型特性和机理,建立了干燥、成型过程的数学模型,在研究方法和机理方面有新突破,为生物质成型燃料工艺及成套设备的研究设计奠定了理论基础;研发出多个成熟、高效、可单独适用的设备,完成了生物质板式干燥设备、切揉制粉设备、成型设备等关键设备的研制,同时还研发了与项目配套使用设备;在国内首次研发出一体化、自动化成套设备系统;实现了生物质能源的自给利用,降低了系统整体能耗;建立了成型燃料生产厂原料最佳收集模式,生产合作模式、推广模式及产品应用模式,建立了高效合理的大规模生物质成型燃料产业发展模式。整体研究达到国际先进水平。

       进一步开展理论基础研究,形成完整的生物质成型技术理论体系;对成型设备及配套设备进行全面优化设计,完善系列化产品;整合各环节关键技术,集成成型工艺及控制系统,完成全系统的一体化、智能化运行;研究适合我国生物质资源分布产出特性的收集设备和收集模式;制定切实可行的生物质成型成套设备技术条件及成型燃料的产品标准。完成年产10万吨生物质成型燃料工业化应用示范基地建设;完成10万吨生物质成型燃料生产体系的原料收集模式、分点建厂规模、系统管理运行及销售模式的研究,建立高效合理的大规模生物质成型燃料产业发展模式。

       该研究方向得到了国家科技支撑计划“大规模生物质成型燃料技术集成与产业化示范”(2012BAD30B03)、国家"863"计划子课题"农业废弃物流化床气化过程预处理技术研究"(2001AA514015)、国家科技型中小企业创新基金"生物质颗粒燃料冷态致密成型技术及成套设备"(06C2621401433)、中国政府/世界银行/全球环境基金会赠款项目"低成本生物质颗粒燃料致密成型技术及成套设备的优化"(A1-B10-subgrant-2008-005)、河南省重大公益性科研招标项目"农作物秸秆成型燃料及热解气化综合利用技术研究与示范"(081100911700)、河南省重点基础与前沿研究计划"农业废弃物颗粒燃料冷成型机理研究"(0611021100)、欧盟赠款REEEP项目等的支持。已取得国家发明专利1项,实用新型专利9项;取得鉴定成果9项,获国家科技进步二等奖1项、河南省科技进步一等奖1项、二等奖3项;发表学术论文30篇,SCI收录5篇、EI收录7篇。目前进行的主要项目为国家支撑计划“大规模生物质成型燃料技术集成与产业化示范”(2012BAD30B03)。

(二)生物质液化制取液体燃料研究

1.生物质水解制取液体燃料技术研究

       研究包括生物质气相水解研究、生物质液相水解研究、生物质基乙酰丙酸酯化研究、生物质水解残渣燃烧技术研究、生物质基液体燃料燃烧排放及燃料配方研究等关键环节。

       研究了生物质半纤维素的气相水解条件及工艺方法,通过气相水解小型装置实验研究,得出了气相水解的相关工艺参数,实现了半纤维素的完全水解。开展了生物质中纤维素液相水解制取乙酰丙酸试验研究,通过不同生物质原料的比较,探索生物质高温、稀酸水解的工艺条件,得到了优化的水解工艺条件参数条件,为各类不同的生物质原料的水解参数提供参考。进行了系列化替代燃料配方设计,完成替代柴油燃料的柴油机台架试验方案,确定试验测试指标及性能评价方法,并根据方案要求对实验台架进行了优化改造,更好的适应实验要求,以生物质转化乙酰丙酸乙酯系统及乙酰丙酸乙酯作为车用燃料为研究对象,利用生命周期分析方法,研究分析生物质基乙酰丙酸乙酯的生命周期能耗、温室气体排放及经济性指标,建立适合我国国情的生物质基乙酰丙酸乙酯生命周期能源消耗、环境排放与经济性分析模型,并与可能产生竞争的燃料路线进行比较,为制定乙酰丙酸乙酯的未来发展战略提供依据。

       下一步将在定向催化水解转化、产品提纯、规模化生产及液体产品在动力装置中的运行验证等领域涉及的关键核心技术进行突破,打通工艺路线,提高转化效率,开发高效低能耗生产装置,通过研究开发木质纤维素气相水解联合液相水解工艺,将生物质中的半纤维素最大效率地转化为糠醛,纤维素转化为乙酰丙酸,实现生物质综合高效利用;结合高效合理的酯化工艺,将乙酰丙酸高转化率酯化生成乙酰丙酸乙酯,再加入增溶剂、稳定剂等形成代用燃料配方并进行台架试验及配方优化,建立完整的生物质柴油替代燃料实验室评价体系,最后完成完整的柴油代用燃料生产工艺流程。

       该研究方向得到了国家"863"计划"木质纤维素水解生产柴油代用燃料技术研究"(2007AA05Z404)、国家863计划“生物质水解制备乙酰丙酸燃料关键技术”(2012AA051802)、国家科技支撑计划子课题“直喷式柴油机燃用生物柴油动力性能及排放研究”(2007BAD41B05)、河南省基础与前沿技术研究项目“生物质水解产物合成柴油代用燃料技术研究”(092300410003)、河南省基础与前沿技术研究项目“生物质液体燃料燃烧动力及排放性能研究”(102300413218)、河南省重点攻关“秸秆清洁水解生产柴油代用燃料关键技术研究”(122102310046)等项目的支持。申请国家发明专利6项、授权1项,授权实用新型专利1项;取得鉴定成果2项;发表学术论文9篇,其中SCI收录4篇、EI收录1篇。目前进行的主要项目为国家863计划“生物质水解制备乙酰丙酸燃料关键技术”(2012AA051802)。

2.生物质气化合成液体燃料技术研究

       研究包括生物质定向气化研究、生物质燃气焦油裂解研究、生物质燃气催化重整研究、生物质燃气合成醇醚燃料催化剂研究等关键环节。

       通过深入的机理研究及实验,建成了从热解气化、焦油定向裂解、催化重整、准一步法合成二甲醚的综合实验装置。进行了低成本生物质热解制气技术以及定向高效生物质燃气重整和焦油催化裂解技术的研究。同时对 “准一步法”合成醇醚工艺技术进行了系统研究,完成了焦油裂解、合成气重整及准“一步法”合成二甲醚系列催化剂的优化制备技术。研究分析生物质基二甲醚的生命周期能耗、温室气体排放及经济性指标,建立适合我国国情的生物质基二甲醚生命周期能源消耗、环境排放与经济性分析模型。

       下一步将在生物质气化方面,不断寻找最佳的生物质焦油裂解条件,生成尽可能多的气相组分,找出不同生物质的最佳升温速度与热解温度,以获得尽可能合理的气相成分。在催化剂方面,研制生物焦油的定向催化裂解及合成气重整净化工艺开发出高活性、长寿命的催化剂系列,解决生物质气中含有较多的CO2易使催化剂表面结炭失活的问题。确定工艺参数,优化工艺条件,建立和正在完善一套生物质气化、焦油催化裂解、合成气重整净化、“准一步法”合成醇醚燃料的产品分离纯化与副产物的处理装置。

       该研究方向得到了河南省杰出人才创新基金项目“生物质气化燃气制取醇醚燃料技术研究”(074200510007)、河南省重点攻关项目“生物质气化合成二甲醚关键技术与中试系统研究”(092102310040)、河南省基础与前沿技术研究项目“生物质气化合成车用燃料油催化剂研究”(122300413213)等项目的支持。已申请国家发明专利1项,授权实用新型专利3项;取得鉴定成果4项,获得河南省科技进步二等奖2项,河南省科学院科技成果二等奖2项;发表学术论文12篇,其中EI收录2篇、中文核心9篇。目前进行的主要项目为河南省基础与前沿技术研究项目“固体酸催化水解生物质秸秆生成乙酰丙酸的研究”(112300413209),国家科技支撑计划“生物质间接液化制乙基燃料关键技术开发及应用”已经入库。

(三)生物质热解气化及高效燃烧技术研究

       研究包括生物质气炭油联产技术研究、生物质固定床气化技术研究、生物质流化床气化技术研究、生物质沸腾气化燃烧技术研究、生物质固体燃料高效燃烧技术研究等关键环节。

       通过建立生物质热解化学动力学模型,掌握组分浓度分布规律,研究生物质干馏产物的产生机理以及分离工艺;研究了生物质燃气燃烧化学动力学,对生物质燃气的火焰传播速度、燃烧反应速度、着火与点燃等进行实验研究,了解其燃烧反应机理,弥补气体燃烧学在生物质燃气燃烧特性理论方面的不足,为生物质燃气的应用提供基础理论依据。结合试验研究,研究设计了一体化燃烧供热系统。先后研发出生物质集中供气关键技术、生物质连续热解气炭油联供装置、生物质成型燃料分段式燃烧装置、生物质沸腾气化燃烧装置、生物质颗粒燃料上吸式气化炉、MW级生物质固定床气化装置等十几种拥有自主产权的生物质高效热解、气化和燃烧装置,经济效益显著。

       进一步研究生物质定向气化技术、大型发电用固定床气化技术、生物质燃气高效洁净处理技术、生物质高效燃烧与低碳排放等。

       该研究方向得到了国家中小企业创新基金“生物质沸腾气化燃烧技术及成套设备”(10C26214102171)、河南省中国科学院科技成果转移转化项目“生物质高效燃烧利用技术”(2012111)、河南省科技攻关计划项目“生物质致密成型燃料燃烧关键技术及设备”(2009)河南省重点推广计划项目“生物质高温热解气炭油联供成套设备”(2005)、河南省属科研单位社会公益项目预研专项资金“生物质颗粒成型燃料燃烧机理及特性研究”(2007)和“生物质热解气焦油裂解重整技术研究”(2007)等项目的支持。已申请发明专利3项,取得实用新型专利6项;取得鉴定成果8项,获河南省科技进步二等奖4项;发表学术论文18篇,其中SCI收录1篇、EI收录6篇。目前进行的主要项目为河南省中国科学院科技成果转移转化项目“生物质高效燃烧利用技术”(2012111)。

(四)生物质发电技术研究

       研究包括生物质气化发电技术研究、生物质混烧发电技术研究、生物质成型燃料直燃发电技术研究等关键环节。

       研究生物质气化—燃气内燃机发电—余热蒸汽轮机发电的联合循环工艺路线,避开了要求很高的气体高温净化过程,显著降低生物质整体气化联合循环系统的技术难度和造价,以较低的代价解决焦油问题和二次污染的难题,实现废水的循环使用。采用生物质颗粒燃料冷态致密成型技术及设备,根据生物质颗粒燃料燃烧特性,在现有小火电厂基础上,对循环流化床锅炉进行技术改造,利用生物质颗粒燃料替代煤炭进行混烧或直燃发电。根据生物质颗粒燃料的燃烧及流化特性,选取适宜的流化床锅炉运行工艺参数,对流化床锅炉进行改造,解决生物质在燃烧时的结渣与碱金属对换热器的腐蚀问题。

       进一步研究开发大功率生物质固定床发电专用气化炉、生物质高效燃烧发电专用燃烧器、大功率的高速高压生物质燃气发电机组、混烧发电监测技术。

       该研究方向得到了河南省重大科技攻关计划“生物质气化发电关键技术与设备研究开发及示范工程”(102101310300)、中欧国际合作项目“生物质与煤混烧发电技术研究”、河南省属科研单位社会公益项目预研专项资金“生物质气化发电关键技术与设备”(2006)、院市合作项目“生物质燃气内燃发电机组开发”(2006)等项目的支持。已申请发明专利2项,授权实用新型专利3项;取得鉴定成果2项,获河南省科技进步二等奖1项;发表学术论文10篇。目前进行的主要项目为“生物质气化发电关键技术与设备研究开发及示范工程”(102101310300),中芬国际合作项目“混燃发电中生物质掺烧量监测技术合作研究”已经入库。

(五)生物质纳米材料研究

主要包括以下研究内容:

1.纳米纤维素和纳米纤维素纤维的制备及产业化生产研究;

2.纳米纤维素在聚合物基体中的界面相容性、分散性和取向程度,以及对复合材料增强作用的影响规律;

3.纳米纤维素改性,并以改性的纳米纤维素为模板、载体及稳定剂制备多种纤维素纳米与无机物和高分子聚合物的复合材料;

4.研究和制备基于纳米纤维素的锂离子电容器及超级电容器;

5.基于纳米纤维素的智能响应性高强度水凝胶材料的制备及应用研究。




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