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【科技改變林業】蔣劍春:生物質熱化學轉化利用開拓者

來源:院辦 時間:2018-10-23 22:07:00

中國綠色時報2018年10月23日專版


      利用秸稈、木屑、枝椏、果殼等農林廢棄物生產清潔能源和炭材料等國民經濟必需的產品,是中國林業科學研究院林產化學工業研究所蔣劍春院士團隊的杰作,讓更多生物質資源變廢為寶,為新能源和環保戰略作出貢獻也是他所致力的事業。


  蔣劍春院士從事農林生物質熱化學轉化研究工作30多年來,創新了農林生物質熱化學定向轉化的基礎理論與方法,突破了熱化學轉化制備高品質液體燃料、生物燃氣與活性炭材料關鍵技術,構建了生物質多途徑全質利用工程化技術體系,有力推動了我國農林生物質產業的快速發展,讓以秸桿、木屑、枝椏、果殼等農林剩余物替代化石能源和材料的科技夢想“照進現實”。具有自主知識產權的科研成果獲國家科技進步獎4項(其中第一完成人3項)、部省級科技進步獎10項,授權發明專利69項;在國內外刊物發表研究論文318篇,其中SCI 68篇、EI 65篇。

 

  開啟農林剩余物熱解氣化研究利用之路 


  能源是現代社會賴以生存和國民經濟發展的基礎。作為能源支柱的化石能源給人類生存環境帶來嚴重的污染,且面臨著逐漸枯竭的危險,全世界都在尋找新的可再生清潔能源。不少國家將目光瞄向生物質能源,然而,多年來,由于缺乏基礎理論突破和有效的定向控制手段,我國生物質熱解氣化產業仍存在著技術單一、氣化設備的原料適應性窄、燃氣品質低、系統操作彈性和運行穩定性差、氣化固體炭產物沒有得到高值化利用、工程化技術集成應用創新不足等一系列技術瓶頸,難以規模化推廣應用,嚴重制約了產業化進程。


  20世紀90年代初,生物質能研究在中國尚處于起步階段。憶及當時的研究情況,蔣劍春頗有感觸:“1993年我加入了全國生物質能源專業委員會。當時研究生物質能的人非常少,我們召開會議時來參加的只有十幾個人。” 即便在10年后,參與林化所召開的全國生物質能源會議的業內人士也只有50余人。


  “現如今,每年全國范圍內與生物質能相關的會議可謂鋪天蓋地。”蔣劍春說。


  當前生物質能全行業的紅火,源于“十五”以來我國政府不遺余力地推動。在國家政策大力向該行業傾斜前,蔣劍春與林化所為何會“獨具慧眼”地將生物質熱解氣化作為研究重點?蔣劍春坦言是基于“國家需求”。“當初我國石油、煤炭等化石能源價格較低,大家都覺得沒有必要研究生物質能,這個行業也沒有發展與利用的前景。但生物質能確實是當時國家有需求的科研項目,而且林化所也有傳統研究優勢,我堅定地認為這個方向非常具有科研價值。”


  在外界并不看好的情況下,懷揣著為國家解決需求的決心,蔣劍春帶領團隊就此開啟了農林剩余物熱解氣化的研究利用的綠色之路。


蔣劍春院士(右一)在實驗室指導科研工作


  將生物質“廢棄物”變高品質燃氣


  《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020)》明確,在農業領域中,將“農林生物質綜合開發利用”作為優先主題。


  我國生物質資源豐富,每年僅農作物秸稈和林業采伐加工剩余物就超過了10億噸。其中,可以收集利用的林業采伐剩余物、加工剩余物大約有1億噸,而農業秸稈的可收集量比林業剩余物多,農林可收集總量大約在2億噸以上。但如何讓農林廢棄物變廢為利?需要突破哪些技術瓶頸?這是蔣劍春團隊長期研究的課題。


  針對農林剩余物熱解氣化過程中存在的關鍵技術瓶頸問題,蔣劍春率領研究團隊開展了熱解氣化反應過程的基礎理論、控制機制、反應器新型結構等研究。經過20多年的持續攻關,他們取得了多項創新性成果,獲得了2013年度國家科技進步二等獎。研究闡明了農林生物質定向氣化規律,創新了高品質生物燃氣調控方法。揭示了生物質熱解氣化反應過程燃氣組分調控和炭化產物微結構形成與演變規律,以及不凝性可燃組分變化與氧含量的協同作用機制、可凝性有機物高溫催化裂解機理;發現了熱解過程固體炭石墨化轉化溫度,為制備高品質炭材料的選擇性利用提供理論依據;建立了錐形流化床最小流化速度數學模型,揭示了生物質顆粒氣-固多相流動特性與傳熱之間相似性及放大規律,該成果對多相流反應器工程化設計和應用具有重要意義。開發了高品質生物燃氣調控關鍵技術和裝備,并規模化應用于工業鍋爐的供氣、供熱以及發電等行業。發明了新型錐體結構流化床氣化反應器,發現了寬粒徑分布物料理想流化狀態的錐體最佳錐角為20o;創新設計出環狀間隙雙錐體結構氣體分布器,首次實現了生物質熱解氣化操作負荷彈性范圍寬達25%~100%的連續化運行;創建了適合塊狀生物質物料的固定床氣化工藝,開發出具有連續加料、雙級組合密封等功能和結構的氣化爐系統;創制出連續化氣-炭聯產關鍵技術和裝備,解決了生物質熱解氣化生產過程中存在的原料適應性窄、燃氣品質低和生產運行不穩定等行業共性難題,率先實現了單機發電達1 MW以上、熱值高達15 MJ/Nm3的氣化技術及裝備的工程化,提升了我國農林生物質生產高品質燃氣和炭產品技術和裝備水平。


  所謂生物質多途徑熱解氣化,蔣劍春介紹說,就是利用內循環錐形流化床、上吸式氣化爐、下吸式氣化爐和回轉爐熱解氣化等4種不同設備和工藝路線,采用最低成本的空氣氣化法,將農林剩余物完全氣化或部分氣化制備燃氣,同時聯產產出高附加值炭材料和炭質吸附材料作為工業和民用。通過該技術實現了農林剩余物高值化綜合利用替代化石燃料、減少溫室氣體及其他有害氣體排放的目標。


  這項研究不僅為屢禁不止的全國性秸稈就地焚燒問題和幾十萬臺中小型燃煤鍋爐帶來的污染問題,以及能源短缺問題找到了解決之策,也使林業板材加工剩余物能源化和材料化利用變得更加經濟可行。


  在扎根農林剩余物熱解氣化研究30多年后,蔣劍春感慨地說:“如今不僅國家從能源安全的角度出發,開始大力發展生物質能,而且隨著環境污染治理任務的加劇,該行業的重要性也日益突出。從環境需求、能源安全與提高農民經濟收入等角度看,生物質能研究的發展空間非常廣闊。”


蔣劍春院士在美國亞歷山大林業中心交流考察


  攻克活性炭材料關鍵技術


  從1996年開始,蔣劍春就開展了生物質熱解轉化活性炭材料制備和應用等方向的科學基礎和應用技術研究及成果轉化工作。在當時,在可能“坐冷板凳”的科研領域,懷揣著為國家解決環境污染治理和食品醫藥精制用活性炭材料需求的決心,蔣劍春帶領團隊圍繞熱化轉化基礎理論,將研究領域從熱解氣化拓展到木制活性炭材料。


  “不僅是生物炭,木質活性炭也與我們的日常生活息息相關。”蔣劍春在接受記者采訪時表示,木質活性炭產品被廣泛應用于環保、新能源、食品、醫療、軍工等領域,是促進國民經濟可持續和高質量發展的朝陽產業。我國完全有條件將這一產業做得更大、更強,要加大技術創新力度,不斷延伸產業鏈條,提升產品附加值,擴展應用領域,使之真正成為提高森林資源綜合利用水平、促進林農增收和社會經濟發展的重要支柱產業。


  蔣劍春率團隊研究發現了調控農林生物質高性能活性炭材料微結構的方法,獲得了2009年度國家科技進步獎二等獎。揭示了農林生物質活性炭活化控制與吸附性能的構效關系,創立了活性炭微孔與介孔結構的調控方法。發現了催化劑提高木質炭反應活性的作用機理、高溫重整過程溫度變化速率以及活化介質對活性炭微孔結構的定向調控機制,制備出介孔結構豐富(>60%)的類分子篩型專用活性炭。揭示了活性炭表面羥基羧基等官能團與選擇性吸附的基本規律。開發出物理和化學吸附組合可控的高性能活性炭系列產品,濾液透光率由65%提高至100%,為制備高性能專用碳質吸附材料提供了新方法。創制了低溫條件下生物質降解自成型熱固化和活化制備孔結構發達的高強度活性炭新技術,吸附揮發性有機物(VOC)性能超過美國同類產品,實現了國產汽車炭罐用活性炭零的突破,解決了生物質制備活性炭存在孔徑分布不集中、產品質量不穩定、吸脫附性能差等問題,打破了高性能專用木質活性炭產品依賴進口的局面,拓展了活性炭的應用領域,有力促進了我國從活性炭生產大國向技術強國邁進。


蔣劍春院士獲國家科技進步獎


  把科技成果轉化為實際效益


  “農林剩余物多途徑熱解氣化聯產炭材料關鍵技術”的成功開發和推廣應用,為我國各種農林生物質原料的高效能源材料轉化利用提供了很好的途徑。


  “有學術意義不等于有產業應用價值。” 蔣劍春說,科研不能與產業、企業脫節,關在象牙塔里搞科研是不行的,特別是在他們這個領域。為此,他和他的團隊十分注重科學研究與成果轉化間的銜接,在項目研究的同時就進行了市場開發和產業化建設。創制出生物質熱化學轉化多途徑高值化利用成套裝備,創新出高品質生物燃氣和活性炭吸附材料等系列新產品。創立了“高品質燃氣聯產炭材料”“熱能自給型高性能活性炭生產”等生物質高效全質利用的運營模式,成功建成了世界上最大規模、利用生物質燃氣供熱、化學法活性炭示范生產線;建成了不同規模、分布式利用的農林剩余物多途徑熱解氣化工業化裝置計190臺套,實現了工業化推廣應用,取得了顯著的經濟、生態和社會效益。


  該技術推廣應用共建成生產線200多條,產品市場占有率達30%以上,新增產值100多億元,農林生物質資源增值20多億元,增加就業崗位6000個以上,經濟、社會和生態效益顯著。


  不過,蔣劍春表示,目前技術的應用還主要局限在林業領域,農業領域涉及較少。“我國農業生產加工的剩余物(廢棄物)更豐富,每年多達數億噸。這是我們希望下一步重點推廣的目標。”


  帶領團隊勇攀科研高峰


  在蔣劍春看來,做科研工作,應向老一輩科研工作者學習,他們身上那種敬業、負責的科學精神和認真、嚴謹的工作習慣是科研人員必備的基本素質。因此,在多年的科研“長跑”中,蔣劍春帶領團隊潛心研究,在高品質生物燃氣和炭材料研究領域贏得了多項“第一”“首創”和“領先”技術成果,打破了國外活性炭制造技術壟斷,推動了林化產業的發展,提升了我國林產化工技術的國際地位,而林化所這個平臺也日漸堅實:現設有生物質化學利用國家工程實驗室、國家林產化學工程技術研究中心等科技創新平臺,還設有中國林學會林產化學化工分會、國家林業和草原局林化產品質量檢驗檢測中心等學術和技術機構;設有2個博士、4個碩士學位培養點和博士后流動站。


  如今,林化所有近200名科技人員,先后培養出了400多名博士、碩士,為林產化工、制漿造紙等行業輸送了大批技術骨干。


  作為行業的探路先鋒和領路人,蔣劍春也因此收獲了諸多榮譽:獲得第六屆全國優秀科技工作者、“十一五”國家科技計劃突出貢獻獎、南京市“十大科技之星”、全國生態建設突出貢獻獎等榮譽。


  科研之路,只有起點,沒有終點,生物質熱化學轉化能源材料技術的開發之路也終將越走越遠。蔣劍春認為,未來生物質領域研究必須秉承“科學布局、創新引領、效益優先、綠色發展”的理念,遵循“原料搜集專業化、轉化技術高效化、工程裝備智能化、多元產品聯產化、終端產品高值化”的創新性發展思路。針對我國目前農林生物質利用實際情況,蔣院士指出,對于生物質資源的利用需要堅持生態環境和能源和諧發展,既要強化生物質產業的經濟效益,更要注重其生態環境效益,要不斷提升生物質產業在生態環境保護以及新農村建設等方面的作用。



人物檔案


  蔣劍春,1955年生于江蘇溧陽,研究員,中國工程院院士、博士生導師,國際木材科學院院士,原中國林科院林產化學工業研究所所長、黨委書記,中國林學會林產化學分會副理事長,生物基材料產業技術創新戰略聯盟理事長,中國可再生能源學會常務理事,中國農村能源行業協會副會長,國家“863”計劃現代農業技術領域主題專家,“生物質能源產業技術創新聯盟”副理事長。獲得全國創新爭先獎、江蘇省高校院所科技人員創新創業先進個人、“十一五”國家科技計劃執行突出貢獻專家、南京市“十大科技之星”等榮譽,帶領的生物質能源創新團隊榮獲“十二五全國生態建設突出貢獻先進集體”榮譽稱號。獲國家科技進步獎一等獎1項、二等獎3項,省部級獎6項,授權發明專利69件,發表學術論文300余篇。


  作者:溫雅莉 王建蘭 宋平


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