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中美國際聯合實驗室



一、聯合實驗室名稱  

中文:河南省  生物質基能源及材料   國際聯合實驗室

英文:International Joint Research Laboratory for

 Biomass Based energy and Materials of Henan,China.

二、聯合實驗室簡介

       河南省生物質基能源及材料國際聯合實驗室(以下稱聯合實驗室)依托于河南省科學院能源研究所有限公司,由河南省生物質能源重點實驗室和美國路易斯安娜州立大學可再生自然資源學院聯合,于2014年12月經河南省科技廳批準正式建立。

河南省生物質能源重點實驗室是河南省唯一專門從事生物質能源研究的省級重點實驗室,2003通過國家實驗室認可委CNAS認證,2005年由河南省科技廳批準籌建,2009年順利通過河南省科技廳的驗收。實驗室占地面積3000多平方米,其中實驗面積2500多平方米,擁有固定資產原值近3000萬元,擁有各類儀器設備300多臺(套)。下設有生物質成型燃料、液體燃料、熱解氣化及高效燃燒、發電等專業實驗室,以及色譜、質譜、紅外光譜、熱重、元素分析、化學分析、微型反應、元素吸收等公用實驗室。實驗室實驗儀器齊全,實驗手段先進,質量管理體系完善。實驗室擁有專職及兼職科研人員38名,其中中國科學院院士1人,博士生導師10人,教授及研究員19人。擁有固定研究人員26人,其中正高職稱5人、副高職稱6人、中級職稱9人,國家百千萬人才1人、國家有突出貢獻中青年專家1人、國家863計劃可再生能源主題專家組專家1人、國家科技支撐計劃農業和村鎮建設領域項目專家組專家1人、中原學者1人、國務院特殊津貼專家1人、省管優秀專家2人、省杰出創新人才2人,具有博士學位6人、博士后2人。團隊人員專業和年齡結構合理,具有良好的工作作風和團隊精神。實驗室在本研究領域內先后承擔科研課題40余項,其中國家或省級重大科研項目17項,省院合作、院市合作、橫向項目等10余項;完成科研成果鑒定34項,其中6項達到國際先進水平,26項達到國內領先水平;獲成果獎勵16項,其中國家科技進步二等獎1項,河南省科技進步一等獎1項、二等獎9項、三等1項,河南省科學院成果一等獎1項、二等獎3項,三等獎1項。申請國家專利35項,其中發明專利19項,已授權4項,實用新型專利16項,全部授權。在國內外學術期刊上發表專業論文80多篇,其中核心論文70多篇,被SCI收錄20篇,EI收錄21篇。先后開發設計出生物質環模成型設備、平模成型設備、干燥設備、粉碎設備、生物質沸騰氣化燃燒裝置、上吸式生物質氣化爐、生物質氣化合成醇醚裝置、生物質燃燒爐、生物質干餾裝置、發電用生物質成型燃料固定床氣化裝置等生物質高效利用設備及裝置20多種,推廣利用設備上千臺套。整體上在生物質能源化研究領域處于國內先進水平。

       美國路易斯安娜州立大學可再生自然資源學院在生物質基能源工程、生物質/高分子聚合物復合材料、納米復合材料、復合材料耐久及工程性能的研究處于世界領先地位。近幾年來, 吳清林教授在美國路易斯安娜州立大學的研究組成功組建了世界最先進的木塑復合材共擠全套生產及分析測試設備,開發出了隔音、耐久、高強度的功能型核殼機構共擠出木塑復合材;發明了用于石油鉆井過程中纖維增強的塑料復合堵漏材料生產技術 (美國/國際專利),該產品在美國已被十幾個石油公司成功地用于近400口油井的鉆探中,近兩年的產品銷售額已超過300萬美元。在生物質納米技術領域,吳清林教授發展了以纖維素為基體加工生產核-殼結構的碳-金屬納米材技術 (美國專利),此項技術在抗菌及醫用材料上具有很好的應用前景;發明了環境友好型生物質納米顆粒制備技術,該技術可用于高性能生物質高分子材料納米顆粒、納米膠體、納米纖維的制備;首創利用非對稱流場流及靜態多角度光散射的分離及表征技術調控納米纖維素晶體的尺度,基于納米晶體在聚合基體中的界面相容性、分散性和取向程度,探明了納米晶體納米效應對復合材料增強作用的影響規律,揭示了納米纖維素晶體對靜電紡納米纖維的增強機理,創建了相應的力學性能模型,為開發納米纖維素晶體增強的納米復合纖維在功能性材料中的應用提供了嶄新的納米力學理論基礎。

       聯合實驗室與河南省生物質能源重點實驗室共享各種科研平臺和實驗條件,堅持理論研究與實踐相結合,基礎研究與應用技術研究并重的原則,充分利用合作外方優勢資源,開展廣泛的國際合作,進行聯合科學研究。運用燃燒學、傳熱學、熱力學、流體力學、空氣動力學、生物化學等基礎理論和先進的實驗技術,開展生物質熱化學能源轉化、生物化學能源轉化等利用技術基礎研究與相關工藝技術及設備開發,建立獨具特色的生物質理化特性、生物質干燥機理、生物質壓縮成型機理和模型、生物質水解動力學、生物質氣化過程中熱質遷移機理、生物質燃氣合成液體燃料機理和動力模型、生物質燃氣燃燒的化學動力學、生物質成型燃料燃燒動力學、生物質熱解氣炭油聯供動力學、生物質基納米材料及應用等基礎研究體系。在此基礎上,根據目前國內外生物質能源化應用的最新研究動態及發展方向開展生物質基材料制備及應用技術、生物質固體燃料技術、生物質液體燃料技術、生物質氣體燃料技術四個方向的研究。

三、研究方向介紹:

(一)生物質基材料制備及應用技術

       主要研究以下三個方向:一是纖維素納米材料的優化加工技術:該方向主要包含纖維素納米材料生產工藝及成本優化、纖維素納米材料表面改性技術及纖維素納米材料環境健康/安全技術三個方向的技術難題。主要采用物理、化學和生物等方法相結合的辦法制備納米纖維素,改進后的工藝首先對生物質材料進行酶處理,然后進行切割,粉碎等,最后采用少量的離子液等物質來制備納米纖維素。采用化學的辦法對纖維素表面進行改性,顯著降低纖維素表面的吸濕性,而且使纖維素產生新的用途,比如在纖維素表面涂覆納米粒,可以顯著改善納米纖維素薄膜的導電性、透氣性、透氧性等。研究納米材料在不同類型生態系統的穩定性、制造過程中的各種排放、最終產品回收利用等。在經濟和社會方面,著力于解決在可持續發展評估對環境的影響。二是纖維素納米材料基柔性鋰離子電池:該方向主要包含納米纖維素基電池隔膜技術、鋰離子電池固體高分子電解質材料技術及納米纖維素基鋰離子電池結構優化技術的技術難題。研究制作超薄,高強度,高熱穩定性,孔隙率可控的纖維素納米紙,用作電池和超級電容器的電極和隔膜。研究制備具有靈活性,可彎曲性和與電納米粒子兼容的納米尺寸的復合材料。研究如何提高電解質的機械性能,以降低其離子導電率以提高鋰電池的壽命和安全性。研究新型電池結構的高度網絡化,提高電子及液體電解質通路電池的電化學反應動力學,提高機械及耐熱性,并防止電池的內部短路故障。三是纖維素納米材料基有機太陽能電池技術:該方向主要包含透明纖維素納米材料薄膜基底技術、有機太陽能電池新型活性層材料的技術及有機太陽能電池光電轉換效率和使用壽命優化技術的技術難題。著力于制備出透光率大于90%,表面粗糙度小于1nm,較強的力學性能(楊氏模量大于10GPa),熱膨脹率小于8.5ppm/k,幅面大于1m2以及連續生產的有機太陽能薄膜基底。在活性層材料的研發方面,集中于合成寬光譜吸收,低能帶隙的共軛聚合物材料;在器件結構上采用新的電極材料如碳納米管、銀納米線等提高電子傳輸效率;此外在制備工藝上采用噴墨打印的方法生產大幅面柔性基底有機太陽能薄膜電池并且探索生產疊層太陽能電池。

(二)生物質固體燃料技術

       研究包括生物質物理化特性研究,生物質干燥理論與技術研究,生物質粉碎理論與技術研究,生物質壓縮成型理論及技術研究,生物質成型燃料技術配套技術研究,生物質能成型燃料一體化、自動化技術研究,生物質收集供應理論及模式研究,生物質干燥、粉碎、成型設備及配套設備研究,生物質成型燃料技術示范推廣關鍵技術研究。在基礎理論研究方面,對生物質,尤其是農業、林業剩余物,在元素、工業和化學分析、物理特性和熱性質、發熱量和熱重特性等理化特性進行全面的實驗研究并建立可靠的基礎數據庫。在技術設備和集成研究方面,利用生物質干燥、粉碎、成型的基礎研究數據,進行相關技術研究,研發成熟高效、可單獨適用的利用設備,完成并優化生物質干燥設備、生物質粉碎設備、生物質成型設備等的研制,實現設備高效率,穩定運行;進行生物質成型燃料燃燒、工業鍋爐及爐窯改造高效燃燒技術、高效氣化技術及MW級固定床氣化技術的研究,實現生物質成型燃料能源轉換效率高和廣泛應用,為生物質成型燃料的規模化推廣應用建立技術設備基礎。在應用推廣研究方面,研究生物質收集半徑和儲存機制,對不同地區的生物質資源進行調查和分析,建立生物質成型燃料生產廠原料最佳收集模式,生產合作模式、推廣模式及產品應用模式,建立高效合理的大規模生物質成型燃料產業發展模式;研究適合我國生物質資源分布產出特性的收集設備和收集模式;制定切實可行的生物質成型成套設備技術條件及成型燃料的產品標準;完成年產10萬噸生物質成型燃料工業化應用示范基地建設;完成10萬噸生物質成型燃料生產體系的原料收集模式、分點建廠規模、系統管理運行及銷售模式的研究,建立高效合理的大規模生物質成型燃料產業發展模式。

(三)生物質液體燃料技術

       該技術分為兩個方向的研究:一是生物質水解制備液體燃料技術,研究包括生物質氣相水解機理、動力學及技術研究,生物質液相水解機理、動力學及技術研究,生物質基乙酰丙酸酯化機理及技術研究,生物質水解殘渣燃燒機理及技術研究,生物質基液體燃料理化特性及配方、燃燒動力學、排放規律研究。在基礎理論研究方面,深入探索生物質氣相水解機理,建立氣相水解試驗裝置,摸索氣相水解條件,減少設備腐蝕,提高糠醛產率;利用本實驗室綜合熱分析儀進行生物質氣相水解動力學研究,通過氣相水解動力學實驗考察,測定反應中纖維素、半纖維素轉化率與時間的關系;利用均相反應動力學模型方程與縮核反應模型方程對實驗數據進行擬合,取得擬合方程,為氣相水解研究提供基礎數據。在技術工藝研究方面,依據反應動力學研究結果,建立氣相水解中試裝置,通過試驗,積累試驗數據,探索氣相水解的最佳工藝條件;研究以不同秸稈為原料的氣相水解工藝反應條件,控制副反應進程,提高原料中的半纖維素轉化為糠醛的轉化率;研究控制水解反應的氣相水解保證條件,保持整個反應過程在酸的露點以上進行,避免和減少設備腐蝕問題。在。二是生物質氣化合成液體燃料技術研究,研究包括生物質定向氣化機理及技術研究、生物質燃氣焦油裂解機理及動力學研究、生物質燃氣催化重整機理及技術研究、生物質燃氣合成醇醚燃料催化劑特性及配制研究。在該方向基礎理論研究方面,研究流化床和氣流床相耦合的生物質復合氣化工藝,探索氣化條件分區優化控制條件,研究氣化爐對不同原料的適應性,以及爐內添加劑對氣體產率和質量的影響;研究生物質氣合成液體燃料的反應條件,建立合成過程的數理模型及動力方程;研究高活性、長壽命的催化劑;研究生物質燃氣合成液體燃料的熱力學、動力學、一步法步法工藝。在工藝技術研究方面,通過深入的機理研究及實驗,建成從熱解氣化、焦油定向裂解、催化重整、準一步法合成液體燃料的綜合實驗裝置。

(四)生物質氣體燃料技術

       研究包括生物質氣炭油聯產機理及技術研究,生物質固定床氣化機理及技術研究,生物質流化床氣化機理及技術研究,生物質沸騰氣化燃燒機理及技術研究,生物質固體燃料高效燃燒技術研究。通過建立生物質熱解氣化動力學模型,掌握組分濃度分布規律,研究生物質干餾產物的產生機理以及分離工藝;研究生物質燃氣燃燒化學動力學,對生物質燃氣的火焰傳播速度、燃燒反應速度、著火與點燃等進行實驗研究,了解其燃燒反應機理,彌補氣體燃燒學在生物質燃氣燃燒特性理論方面的不足;研究生物質成型燃料的點火理論、燃燒機理、動力學特性、結渣特性。在掌握生物質熱解、氣化、燃燒動力學特性基礎上,針對生物質燃料揮發分高、燃點低的特點,研發生物質高效燃燒技術和高效氣化技術;研究生物質集中供氣關鍵技術、生物質連續熱解氣炭油聯供技術及設備、生物質成型燃料分段式燃燒技術及設備、生物質沸騰氣化燃燒技術及設備、生物質顆粒燃料上吸式氣化技術及設備、MW級生物質固定床氣化技術及設備,實現生物質高效制炭、制氣和燃燒;進一步研究生物質定向氣化技術、大型發電用固定床氣化技術、生物質燃氣高效潔凈處理技術、生物質高效燃燒與低碳排放等。研究包括生物質氣化發電技術及設備研究,生物質混燒發電技術及設備研究,生物質成型燃料直燃發電技術研究,生物質直燃及混燒鍋爐結渣、結焦機理研究,生物質氣化發電大型氣化設備機理研究。




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