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中美国际联合实验室



一、联合实验室名称  

中文:河南省  生物质基能源及材料   国际联合实验室

英文:International Joint Research Laboratory for

 Biomass Based energy and Materials of Henan,China.

二、联合实验室简介

       河南省生物质基能源及材料国际联合实验室(以下称联合实验室)依托于河南省科学院能源研究所有限公司,由河南省生物质能源重点实验室和美国路易斯安娜州立大学可再生自然资源学院联合,于2014年12月经河南省科技厅批准正式建立。

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。

       美国路易斯安娜州立大学可再生自然资源学院在生物质基能源工程、生物质/高分子聚合物复合材料、纳米复合材料、复合材料耐久及工程性能的研究处于世界领先地位。近几年来, 吴清林教授在美国路易斯安娜州立大学的研究组成功组建了世界最先进的木塑复合材共挤全套生产及分析测试设备,开发出了隔音、耐久、高强度的功能型核壳机构共挤出木塑复合材;发明了用于石油钻井过程中纤维增强的塑料复合堵漏材料生产技术 (美国/国际专利),该产品在美国已被十几个石油公司成功地用于近400口油井的钻探中,近两年的产品销售额已超过300万美元。在生物质纳米技术领域,吴清林教授发展了以纤维素为基体加工生产核-壳结构的碳-金属纳米材技术 (美国专利),此项技术在抗菌及医用材料上具有很好的应用前景;发明了环境友好型生物质纳米颗粒制备技术,该技术可用于高性能生物质高分子材料纳米颗粒、纳米胶体、纳米纤维的制备;首创利用非对称流场流及静态多角度光散射的分离及表征技术调控纳米纤维素晶体的尺度,基于纳米晶体在聚合基体中的界面相容性、分散性和取向程度,探明了纳米晶体纳米效应对复合材料增强作用的影响规律,揭示了纳米纤维素晶体对静电纺纳米纤维的增强机理,创建了相应的力学性能模型,为开发纳米纤维素晶体增强的纳米复合纤维在功能性材料中的应用提供了崭新的纳米力学理论基础。

       联合实验室与河南省生物质能源重点实验室共享各种科研平台和实验条件,坚持理论研究与实践相结合,基础研究与应用技术研究并重的原则,充分利用合作外方优势资源,开展广泛的国际合作,进行联合科学研究。运用燃烧学、传热学、热力学、流体力学、空气动力学、生物化学等基础理论和先进的实验技术,开展生物质热化学能源转化、生物化学能源转化等利用技术基础研究与相关工艺技术及设备开发,建立独具特色的生物质理化特性、生物质干燥机理、生物质压缩成型机理和模型、生物质水解动力学、生物质气化过程中热质迁移机理、生物质燃气合成液体燃料机理和动力模型、生物质燃气燃烧的化学动力学、生物质成型燃料燃烧动力学、生物质热解气炭油联供动力学、生物质基纳米材料及应用等基础研究体系。在此基础上,根据目前国内外生物质能源化应用的最新研究动态及发展方向开展生物质基材料制备及应用技术、生物质固体燃料技术、生物质液体燃料技术、生物质气体燃料技术四个方向的研究。

三、研究方向介绍:

(一)生物质基材料制备及应用技术

       主要研究以下三个方向:一是纤维素纳米材料的优化加工技术:该方向主要包含纤维素纳米材料生产工艺及成本优化、纤维素纳米材料表面改性技术及纤维素纳米材料环境健康/安全技术三个方向的技术难题。主要采用物理、化学和生物等方法相结合的办法制备纳米纤维素,改进后的工艺首先对生物质材料进行酶处理,然后进行切割,粉碎等,最后采用少量的离子液等物质来制备纳米纤维素。采用化学的办法对纤维素表面进行改性,显著降低纤维素表面的吸湿性,而且使纤维素产生新的用途,比如在纤维素表面涂覆纳米粒,可以显著改善纳米纤维素薄膜的导电性、透气性、透氧性等。研究纳米材料在不同类型生态系统的稳定性、制造过程中的各种排放、最终产品回收利用等。在经济和社会方面,着力于解决在可持续发展评估对环境的影响。二是纤维素纳米材料基柔性锂离子电池:该方向主要包含纳米纤维素基电池隔膜技术、锂离子电池固体高分子电解质材料技术及纳米纤维素基锂离子电池结构优化技术的技术难题。研究制作超薄,高强度,高热稳定性,孔隙率可控的纤维素纳米纸,用作电池和超级电容器的电极和隔膜。研究制备具有灵活性,可弯曲性和与电纳米粒子兼容的纳米尺寸的复合材料。研究如何提高电解质的机械性能,以降低其离子导电率以提高锂电池的寿命和安全性。研究新型电池结构的高度网络化,提高电子及液体电解质通路电池的电化学反应动力学,提高机械及耐热性,并防止电池的内部短路故障。三是纤维素纳米材料基有机太阳能电池技术:该方向主要包含透明纤维素纳米材料薄膜基底技术、有机太阳能电池新型活性层材料的技术及有机太阳能电池光电转换效率和使用寿命优化技术的技术难题。着力于制备出透光率大于90%,表面粗糙度小于1nm,较强的力学性能(杨氏模量大于10GPa),热膨胀率小于8.5ppm/k,幅面大于1m2以及连续生产的有机太阳能薄膜基底。在活性层材料的研发方面,集中于合成宽光谱吸收,低能带隙的共轭聚合物材料;在器件结构上采用新的电极材料如碳纳米管、银纳米线等提高电子传输效率;此外在制备工艺上采用喷墨打印的方法生产大幅面柔性基底有机太阳能薄膜电池并且探索生产叠层太阳能电池。

(二)生物质固体燃料技术

       研究包括生物质物理化特性研究,生物质干燥理论与技术研究,生物质粉碎理论与技术研究,生物质压缩成型理论及技术研究,生物质成型燃料技术配套技术研究,生物质能成型燃料一体化、自动化技术研究,生物质收集供应理论及模式研究,生物质干燥、粉碎、成型设备及配套设备研究,生物质成型燃料技术示范推广关键技术研究。在基础理论研究方面,对生物质,尤其是农业、林业剩余物,在元素、工业和化学分析、物理特性和热性质、发热量和热重特性等理化特性进行全面的实验研究并建立可靠的基础数据库。在技术设备和集成研究方面,利用生物质干燥、粉碎、成型的基础研究数据,进行相关技术研究,研发成熟高效、可单独适用的利用设备,完成并优化生物质干燥设备、生物质粉碎设备、生物质成型设备等的研制,实现设备高效率,稳定运行;进行生物质成型燃料燃烧、工业锅炉及炉窑改造高效燃烧技术、高效气化技术及MW级固定床气化技术的研究,实现生物质成型燃料能源转换效率高和广泛应用,为生物质成型燃料的规模化推广应用建立技术设备基础。在应用推广研究方面,研究生物质收集半径和储存机制,对不同地区的生物质资源进行调查和分析,建立生物质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,建立高效合理的大规模生物质成型燃料产业发展模式;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。

(三)生物质液体燃料技术

       该技术分为两个方向的研究:一是生物质水解制备液体燃料技术,研究包括生物质气相水解机理、动力学及技术研究,生物质液相水解机理、动力学及技术研究,生物质基乙酰丙酸酯化机理及技术研究,生物质水解残渣燃烧机理及技术研究,生物质基液体燃料理化特性及配方、燃烧动力学、排放规律研究。在基础理论研究方面,深入探索生物质气相水解机理,建立气相水解试验装置,摸索气相水解条件,减少设备腐蚀,提高糠醛产率;利用本实验室综合热分析仪进行生物质气相水解动力学研究,通过气相水解动力学实验考察,测定反应中纤维素、半纤维素转化率与时间的关系;利用均相反应动力学模型方程与缩核反应模型方程对实验数据进行拟合,取得拟合方程,为气相水解研究提供基础数据。在技术工艺研究方面,依据反应动力学研究结果,建立气相水解中试装置,通过试验,积累试验数据,探索气相水解的最佳工艺条件;研究以不同秸秆为原料的气相水解工艺反应条件,控制副反应进程,提高原料中的半纤维素转化为糠醛的转化率;研究控制水解反应的气相水解保证条件,保持整个反应过程在酸的露点以上进行,避免和减少设备腐蚀问题。在。二是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机理及技术研究、生物质燃气焦油裂解机理及动力学研究、生物质燃气催化重整机理及技术研究、生物质燃气合成醇醚燃料催化剂特性及配制研究。在该方向基础理论研究方面,研究流化床和气流床相耦合的生物质复合气化工艺,探索气化条件分区优化控制条件,研究气化炉对不同原料的适应性,以及炉内添加剂对气体产率和质量的影响;研究生物质气合成液体燃料的反应条件,建立合成过程的数理模型及动力方程;研究高活性、长寿命的催化剂;研究生物质燃气合成液体燃料的热力学、动力学、一步法步法工艺。在工艺技术研究方面,通过深入的机理研究及实验,建成从热解气化、焦油定向裂解、催化重整、准一步法合成液体燃料的综合实验装置。

(四)生物质气体燃料技术

       研究包括生物质气炭油联产机理及技术研究,生物质固定床气化机理及技术研究,生物质流化床气化机理及技术研究,生物质沸腾气化燃烧机理及技术研究,生物质固体燃料高效燃烧技术研究。通过建立生物质热解气化动力学模型,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;研究生物质成型燃料的点火理论、燃烧机理、动力学特性、结渣特性。在掌握生物质热解、气化、燃烧动力学特性基础上,针对生物质燃料挥发分高、燃点低的特点,研发生物质高效燃烧技术和高效气化技术;研究生物质集中供气关键技术、生物质连续热解气炭油联供技术及设备、生物质成型燃料分段式燃烧技术及设备、生物质沸腾气化燃烧技术及设备、生物质颗粒燃料上吸式气化技术及设备、MW级生物质固定床气化技术及设备,实现生物质高效制炭、制气和燃烧;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。研究包括生物质气化发电技术及设备研究,生物质混烧发电技术及设备研究,生物质成型燃料直燃发电技术研究,生物质直燃及混烧锅炉结渣、结焦机理研究,生物质气化发电大型气化设备机理研究。




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