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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

来源:院办 时间:2018-10-23 22:07:00

中國綠色時報2018年10月23日專版


      利用秸秆、木屑、枝桠、果壳等农林废弃物生产清洁能源和炭材料等国民经济必需的产品,是中国林业科学研究院林产化学工业研究所蒋剑春院士团队的杰作,让更多生物质资源变废为宝,为新能源和环保战略作出贡献也是他所致力的事业。


  蒋剑春院士从事农林生物质热化学转化研究工作30多年来,创新了农林生物质热化学定向转化的基础理论与方法,突破了热化学转化制备高品质液体燃料、生物燃气与活性炭材料关键技术,构建了生物质多途径全质利用工程化技术体系,有力推动了我国农林生物质产业的快速发展,让以秸杆、木屑、枝桠、果壳等农林剩余物替代化石能源和材料的科技梦想“照进现实”。具有自主知识产权的科研成果获国家科技进步奖4项(其中第一完成人3项)、部省级科技进步奖10项,授权发明专利69项;在国内外刊物发表研究论文318篇,其中SCI 68篇、EI 65篇。

 

  開啓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。作爲能源支柱的化石能源給人類生存環境帶來嚴重的汙染,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産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、氣化固體炭産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,嚴重制約了産業化進程。


  20世纪90年代初,生物质能研究在中国尚处于起步阶段。忆及当时的研究情况,蒋剑春颇有感触:“1993年我加入了全国生物质能源专业委员会。当时研究生物质能的人非常少,我们召开会议时来参加的只有十几个人。” 即便在10年后,参与林化所召开的全国生物质能源会议的业内人士也只有50余人。


  “現如今,每年全國範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,蔣劍春與林化所爲何會“獨具慧眼”地將生物質熱解氣化作爲研究重點?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,我堅定地認爲這個方向非常具有科研價值。”


  在外界並不看好的情況下,懷揣著爲國家解決需求的決心,蔣劍春帶領團隊就此開啓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”作爲優先主題。


  我國生物質資源豐富,每年僅農作物稭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,而農業稭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爲利?需要突破哪些技術瓶頸?這是蔣劍春團隊長期研究的課題。


  针对农林剩余物热解气化过程中存在的关键技术瓶颈问题,蒋剑春率领研究团队开展了热解气化反应过程的基础理论、控制机制、反应器新型结构等研究。经过20多年的持续攻关,他们取得了多项创新性成果,获得了2013年度国家科技进步二等奖。研究阐明了农林生物质定向气化规律,创新了高品质生物燃气调控方法。揭示了生物质热解气化反应过程燃气组分调控和炭化产物微结构形成与演变规律,以及不凝性可燃组分变化与氧含量的协同作用机制、可凝性有机物高温催化裂解机理;发现了热解过程固体炭石墨化转化温度,为制备高品质炭材料的选择性利用提供理论依据;建立了锥形流化床最小流化速度数学模型,揭示了生物质颗粒气-固多相流动特性与传热之间相似性及放大规律,该成果对多相流反应器工程化设计和应用具有重要意义。开发了高品质生物燃气调控关键技术和装备,并规模化应用于工业锅炉的供气、供热以及发电等行业。发明了新型锥体结构流化床气化反应器,发现了宽粒径分布物料理想流化状态的锥体最佳锥角为20o;创新设计出环状间隙双锥体结构气体分布器,首次实现了生物质热解气化操作负荷弹性范围宽达25%~100%的连续化运行;创建了适合块状生物质物料的固定床气化工艺,开发出具有连续加料、双级组合密封等功能和结构的气化炉系统;创制出连续化气-炭联产关键技术和装备,解决了生物质热解气化生产过程中存在的原料适应性窄、燃气品质低和生产运行不稳定等行业共性难题,率先实现了单机发电达1 MW以上、热值高达15 MJ/Nm3的气化技术及装备的工程化,提升了我国农林生物质生产高品质燃气和炭产品技术和装备水平。


  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,同時聯産産出高附加值炭材料和炭質吸附材料作爲工業和民用。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。


  這項研究不僅爲屢禁不止的全國性稭稈就地焚燒問題和幾十萬台中小型燃煤鍋爐帶來的汙染問題,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。


  在紮根農林剩余物熱解氣化研究30多年後,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,而且隨著環境汙染治理任務的加劇,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曆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,懷揣著爲國家解決環境汙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,木質活性炭産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産業。我國完全有條件將這一産業做得更大、更強,要加大技術創新力度,不斷延伸産業鏈條,提升産品附加值,擴展應用領域,使之真正成爲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産業。


  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。揭示了活性炭表面羟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産品,濾液透光率由65%提高至100%,爲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)性能超過美國同類産品,實現了國産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、産品質量不穩定、吸脫附性能差等問題,打破了高性能專用木質活性炭産品依賴進口的局面,拓展了活性炭的應用領域,有力促進了我國從活性炭生産大國向技術強國邁進。


蔣劍春院士獲國家科技進步獎


  把科技成果轉化爲實際效益


  “農林剩余物多途徑熱解氣化聯産炭材料關鍵技術”的成功開發和推廣應用,爲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。


  “有学术意义不等于有产业应用价值。” 蒋剑春说,科研不能与产业、企业脱节,关在象牙塔里搞科研是不行的,特别是在他们这个领域。为此,他和他的团队十分注重科学研究与成果转化间的衔接,在项目研究的同时就进行了市场开发和产业化建设。创制出生物质热化学转化多途径高值化利用成套装备,创新出高品质生物燃气和活性炭吸附材料等系列新产品。创立了“高品质燃气联产炭材料”“热能自给型高性能活性炭生产”等生物质高效全质利用的运营模式,成功建成了世界上最大规模、利用生物质燃气供热、化学法活性炭示范生产线;建成了不同规模、分布式利用的农林剩余物多途径热解气化工业化装置计190台套,实现了工业化推广应用,取得了显著的经济、生态和社会效益。


  該技術推廣應用共建成生産線200多條,産品市場占有率達30%以上,新增産值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。“我國農業生産加工的剩余物(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


  在蒋剑春看来,做科研工作,应向老一辈科研工作者学习,他们身上那种敬业、负责的科学精神和认真、严谨的工作习惯是科研人员必备的基本素质。因此,在多年的科研“长跑”中,蒋剑春带领团队潜心研究,在高品质生物燃气和炭材料研究领域赢得了多项“第一”“首创”和“领先”技术成果,打破了国外活性炭制造技术垄断,推动了林化产业的发展,提升了我国林产化工技术的国际地位,而林化所这个平台也日渐坚实:现设有生物质化学利用国家工程实验室、国家林产化学工程技术研究中心等科技創新平台,还设有中国林学会林产化学化工分会、国家林业和草原局林化产品质量检验检测中心等学术和技术机构;设有2个博士、4个硕士学位培养点和博士后流动站。


  如今,林化所有近200名科技人員,先後培養出了400多名博士、碩士,爲林産化工、制漿造紙等行業輸送了大批技術骨幹。


  作爲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。蔣劍春認爲,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、多元産品聯産化、終端産品高值化”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,既要強化生物質産業的經濟效益,更要注重其生態環境效益,要不斷提升生物質産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,原中國林科院林産化學工業研究所所長、黨委書記,中國林學會林産化學分會副理事長,生物基材料産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,“生物質能源産業技術創新聯盟”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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