知播·科学家访谈|陈冠益:有机废物热解气化技术的进展与挑战

“2021首届环境与生态系统工程发展论坛”于9月3—5日在内蒙古包头市顺利举行。论坛由《环境工程》编审委员会策划组织,旨在更好地应对当前生态环境保护的新机遇和新挑战,推动我国生态文明建设行稳致远。此次论坛依托工业建筑杂志社打造的“知播·云上星光”知识服务项目,邀请了行业内多名院士专家做客直播间,帮助读者更多地了解国内外环境科学类领域的最新研究前沿和应用进展。

污泥脱水技术研究进展及碳排放比较分析

本文综述了几种常规污泥脱水技术(污泥浓缩、机械脱水和深度脱水)和几种新兴的污泥低能耗深度脱水技术(低温干化、生物干化和超临界CO_(2)脱水)的原理及特点,并重点对重力浓缩、机械脱水、预处理脱水、热干化、太阳能干化、热泵干化、生物干化、超临界CO_(2)脱水这几种技术进行了碳排放核算和对比分析.结果表明,常规脱水技术相对较为成熟,应用较广,但存在能耗高、药耗高、碳排放高的“三高”问题.其中,污泥热干化技术的碳排放量最大(2070.21kgCO_(2)/t DS),使用化学药剂产生的碳排放占机械脱水和预处理脱水技术碳排放的75%以上.新兴的太阳能干化、热泵干化、生物干化和超临界CO_(2)脱水技术的碳排放量分别为32.67,1074.36,58.78,490.16kgCO_(2)/t DS,表现出较好的碳减排潜力,通过推进优化工艺技术,降低运行成本,有望替代常规脱水技术.本研究结果可为污泥低碳脱水技术的开发和选择提供重要的参考依据.

一流课程建设背景下固体废物处理改革与探索

固体废物处理是环境工程专业的核心课程。为了贯彻落实教育部一流本科课程建设计划以及创新型人才培养的要求,天津大学固体废物处理课程教学团队一直致力于该课程质量的持续提升。针对该课程教学中的难点,在教学理念与方法、教学资源建设、课程考核方式、教学团队建设等方面进行了一系列改革探索和实践,并取得了良好的成效,加强了科研、产业与本科教学的深度融合,提升了本科生的实践创新能力,有利于培养具有“家国情怀”的固废处理领域复合型人才。

水热技术处理抗生素菌渣的研究进展

文章首先介绍了抗生素菌渣的组成、性质、危害和处理现状,总结了水热技术的定义、原理以及控制参数;然后阐述了水热技术在去除菌渣中残留抗生素、抗性基因和稳定重金属方面等的无害化作用,讨论了水热后的菌渣作为厌氧发酵原料、肥料、固体燃料、生物油和生物炭的资源化应用;最后根据当前研究存在的不足,提出了若干建议并展望了未来的前景,以期为水热技术处理抗生素菌渣的发展与推广应用提供参考。

木质素模型化合物的电化学催化研究:转化特性与产物选择性

酚类衍生物是生物油的关键组分,对其电催化加氢(ECH)性质的深入理解对于高效利用生物油至关重要。基于此种考量,本工作研究了生物油中代表性物质愈创木酚的电催化加氢性能,探讨了其电催化加氢的反应机制、转化率和产品选择性在不同反应条件下(温度:40−80℃,高氯酸浓度:0.2–1.0 mol/L,电流强度:(–10)–(–150)mA)的变化。同时,也探索了愈创木酚中间产物(2-甲氧基环己酮和环己酮)等对其电催化加氢的影响。结果表明,愈创木酚的ECH转化率随温度和电流强度的提高而增加,但高氯酸浓度的增加则对转化率具有相反的影响。同时发现,中间产物的存在增强了愈创木酚的电催化加氢转化率,尤其是2-甲氧基环己酮,其效果更为显著。在此基础上,对其他种酚类衍生物(包括苯酚、邻苯二酚、愈创木酚、丁香酚和香草醛)及其混合物的电催化加氢机制的进一步研究中发现,模型化合物的电催化转化率与苯环上官能团的复杂程度成反比。在其中结构最简单的苯酚具有最高的转化率(89.34%),而由于结构更复杂,香草醛的转化率最低,仅为46.79%。同时,在多组分混合物的电催化加氢研究中发现,模型化合物的协同和竞争机制将显著影响各自的转化率。

医疗废物热解技术综述

综述了我国医疗废物的基本特性与处理现状,对比分析医疗废物的常用处置技术,重点介绍医疗废物的热解技术与原理,阐明医疗废物热解过程污染物释放与控制机制,介绍新兴热解技术与医疗废物处理结合的思路,探讨医疗废物热解装备的设计要点与发展方向,并依据相关政策法规对医疗废物热解技术发展进行梳理与展望.

环境污染与健康课程思政创新实践

为实现教学与育人相统一,积极构建专业课程与思想政治理论、综合素养“三位一体”的思想政治教育教学体系,全国高校正积极开展思政教学改革。环境污染与健康课程从人类健康实际问题出发,兼具环境类课程思政特色。本课程在教学中采用“项目式教学”,引导学生主动思考交流、积极参与课堂互动、开拓创新思维、增强实践动手能力,教导学生学以致用。最终实现习近平新时代中国特色社会主义思想在环境污染与健康课程中的渗透,培养德才兼备的高素质人才。

机器学习在建筑垃圾处理领域的应用与现状

建筑垃圾产生量巨大,成分复杂,如果不能妥善处理,其中的沥青、石膏、重金属、油漆等物质会与周围空气、土壤、水体反应并产生有害物质,严重危害人类的生存环境。我国“无废城市”的建设要求明确提出要建设固体废物综合管理体系以提升废弃物的资源利用率的策略。建筑垃圾作为我国体量最大的城市固体废物,已成为被重点关注的对象,实现建筑垃圾资源化利用迫在眉睫。传统的建筑垃圾资源化处置通过人工、机械将建筑垃圾分类后再对建筑垃圾进行资源化利用,过程中存在管理难度大、效率低、成本过高等问题。机器学习作为人工智能的核心,已经逐渐应用到建筑垃圾处理的各个环节中,能有效提高建筑垃圾的资源化利用率。对建筑垃圾和机器学习的基本情况进行描述,介绍了建筑垃圾处理的过程,对机器学习在建筑垃圾处理领域的研究进展进行综述。最后结合我国国情,针对建筑垃圾处理领域提出几点建议,以期为实现建筑垃圾处理领域的自动化、智能化提供参考。

生物质焦油热解动力学分析

采用热重分析法对玉米芯在600℃热解条件下获得的焦油进行热解特性分析，根据TG与DTG曲线图，定义焦油的活性准则并对其进行判定，建立焦油热解动力学模型，同时对动力学参数进行求解。结果表明：焦油的热解可分为3个阶段，其动力学模型均可用一级反应表示，各阶段的活化能分别为26～33kJ／mol、13—16kJ／mol以及10-15kJ／mol。

生物质化学制氢技术研究进展

可再生生物质制氢是未来氢能的主要来源,涉及到化学制氢和生物制氢.生物质化学制氢技术包括生物质气化、热解、超临界转化等常规热化学法制氢和生物质解聚液相产物的蒸汽重整、水相重整、自热重整和光催化重整制氢等技术.对以上生物质制氢方法进行了综述,对反应条件、反应机理、催化剂使用、技术经济性及各自存在的优缺点进行分类整理与比较.认为生物质气化制氢及热解制氢技术的发展较成熟,可以实现规模化生产,但是制氢的选择性和产氢率不高;生物质液相产物催化重整制氢技术更适合较大规模的集中制氢,转化率和产氢率高,但技术途径复杂.对生物质制氢技术进行了展望.

生物质制氢技术的研究现状与展望

在分析各种可能的制氢途径基础上,总结了生物质制氢的各种技术尤其是热化学转化技术优缺点,重点介绍了笔者设计的生物质快速热解-催化蒸汽重整制氢实验系统,同时介绍了制氢常用的催化剂。通过对比分析,指出了生物质催化热解-气化制氢是很有前景的一种制氢方法。

生物质二级固定床催化热解制取富氢燃气

针对二级固定床反应器(第一级是热解反应器,第二级是催化反应器),以制取富氢燃气为目标,分别采用稻壳、秸秆、锯末为原料,重点考察了固定床催化反应器在不同反应条件下对产气量、产氢率和焦油含量的影响。与一级热解反应相比,在催化反应器温度为750℃时,稻壳热解的产气量提高了22%,氢气的体积含量提高了50.3%;通过使用煅烧白云石和镍基催化剂,稻壳热解的产气量提高了36.6%,氢气的体积含量提高了76.2%。催化反应器温度为815℃时,秸秆和锯末的热解实验结果与温度为750℃时具有相同的趋势,且催化固定床能够有效降低燃气中焦油的含量,可降至原来含量的1%。催化剂负载量和燃气空速对产气量和氢气浓度都有影响。催化剂负载量为生物质送料量的30%、燃气空速为0.9×104h^(-1)时,实验结果相当满意。

天津蓟县夏季PM_(2.5)污染特征及影响因素

为探究天津蓟县大气细颗粒物(PM2.5)污染特征及气象因素对它的影响,搜集了2013年蓟县PM2.5质量浓度变化资料,对PM2.5污染情况进行了详细分析;并针对夏季典型天气,对PM2.5质量浓度进行监测,结合同步气象数据,运用线性回归及相关性分析方法研究PM2.5质量浓度与气象因素关系.结果表明:蓟县PM2.5质量浓度呈现明显冬高夏低特征,夏季污染超标率达45%,其日变化呈明显双峰型;PM2.5质量浓度受温度、相对湿度、风速、风向、降雨影响显著,与气压无显著关系,能见度随PM2.5质量浓度增大呈现e指数衰减规律.研究结果可为当前的京津冀区域大气污染协同防控提供一定的科学参考.

中药渣水蒸气气化制备合成气研究

以中药渣为原料进行水蒸气气化实验,研究气化温度、水蒸气与生物质质量之比(S/B)对产气流量、气体产率、产气组分、碳转化率、燃气热值以及气化效率的影响。研究结果表明:气化温度的升高能够促进气化反应的进行,提高产气品质和气化效率;一定量的气化剂水蒸气可提高气化效率,但是过量的水蒸气会影响气化效果;气化温度为800℃,S/B为1.0时,气化效果最佳,气化效率高达72.91%;中药渣具备良好的水蒸气气化特性。研究结果可为中药渣资源利用提供理论参考。

燃用稻壳流化床锅炉的燃烧特性研究

本文介绍了在热态流化床试验台上进行的燃用稻壳的试验结果。着火试验表明：稻壳极易着火，最低着火温度仅为３４０℃，在流化床床温达到４００℃左右时，即可投入稻壳稳定着火。着火初期挥发份析出迅速，燃烧剧烈，但燃尽时间长。燃烧试验表明：稻壳燃烧主要集中在流化床的稀相区，稀相区床温明显高于密相区。稀相区中部燃烧强度最大。合理的燃烧应具备的条件是：流化风速为１ｍ／ｓ～２ｍ／ｓ，流化数为３～７，１、２次风量配比为７∶３左右。稻壳流化床燃烧过程中，挥发份析出迅速，但焦炭很难燃尽，燃烧效率可高达９７％。试验结果为工程用的稻壳流化床燃烧锅炉设计和运行提供了理论依据和实践经验。

生物质流化床的试验研究及设计要点

在生物质流化床上，以稻壳为例，研究了它作为燃料用的一些重要特性包括气力输送特性、流态化特性和燃烧特性。在此基础上，介绍了稻壳流化床锅炉的设计要点。研究表明，气力输送稻壳不但便利可行，而且输送稳定、输送量大；以０５２ ｍｍ 石英砂作床料可以良好地运行稻壳流化床；稻壳流化床中燃烧主要集中在稀相区，燃烧效率可达到９７％ ，且ＮＯｘ 、ＳＯｘ 低。这些结论为稻壳流化床锅炉设计和运行提供了理论依据和实际经验。

带有内撑结构的电厂烟道弯头压力损失数值模拟

燃煤火电厂烟道内部构件的设计好坏关系到烟道内流场分布均匀程度,进而影响下游除尘器的除尘效率。文中以工程常用的规范标准烟道及CE方案烟道2种烟道为原型,借助计算流体动力学软件Fluent模拟除尘器模型前烟道压力和速度分布。利用经验曲线计算值与一段无内撑杆的弯管段模拟值对比,进行CFD计算方法的可行性验证。进而在相同条件下对2种不同内撑结构的烟道进行模拟,综合比较两者的压力损失大小、速度场及压力场分布,得到优选规范标准烟道方案的结论。

面向碳中和的生物柴油制备及应用研究进展

对制备清洁能源——生物柴油的化学催化酯交换法及其他方法,生产生物柴油的反应器及其后续开发利用等进行总结,并分析目前生物柴油在发展过程中所存在的问题,对其未来发展方向提出一些建议。

新型电厂烟道弯头的设计及数值模拟

目前燃煤电厂烟风道设计主要依据设计规程,缺少对烟道体内流动情况的细化分析及优化设计,同时也欠缺对烟道内撑结构的考虑.本文利用计算流体动力学软件Fluent对烟道常见弯头添加常规导流板进行数值模拟,在分析讨论内撑结构及导流板对烟道内部造成影响的基础上,对原管道进行优化改造,使得出口烟气走向更加均匀,压力损失与原模型相比减小40.85%.本设计可为新型导流装置的设计提供可靠建议,有利于电厂的节能减排.

基于Aspen Plus的甘油与生物质固定床共气化制氢工艺模拟

利用Aspen Plus软件平台,对甘油与生物质固定床共气化制氢过程进行模拟研究.考察不同反应温度、甘油与生物质的质量比（m（G）/m（B））、气化剂物质的量的比（n（H2O）/n（C））和反应压力等条件对纯甘油与生物质、粗甘油与生物质混合共气化制氢的影响.模拟结果表明：生物质与不同甘油共气化时,温度、压力、n（H2O）/n（C）和m（G）/m（B）对两种混合物制氢的影响规律基本相同,因此可用纯甘油替代粗甘油来研究气化制氢特性;同时得出其最佳气化制氢条件是反应温度800~850,℃,m（G）/m（B）为1.0~1.2,n（H2O）/n（C）为0.8~1.0,压力≤0.1,MPa,在此条件下,氢气产率为55%左右.