网络首发||胡艳军教授：工业有机固废气化技术的研究进展
文摘
科学
2024-08-20 10:53
浙江
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本文系统性地综述了工业有机固废气化过程中多种影响因素和协同反应机制，特别提出了通过现代原位表征技术构建协同反应路径的建议，为当前气化过程研究提供了新的视角。提出利用密度泛函理论解析多反应耦合作用机制的设想，有助于深入理解气化过程中的复杂化学反应，增强工艺优化的理论基础。此外，论文提出了通过机器学习优化气化工艺参数的建议，这一数据驱动的方法有望提高气化效率，并实现对工艺过程的精确控制，增强工业应用的可行性。在此基础上，论文还强调了多源工业有机固废共气化供应链和生命周期评价的重要性，通过建模和模拟技术，提出了减少经济和环境影响的方法，为推动气化技术在更大规模工业应用中的可持续发展提供了方向。
胡艳军，浙江工业大学教授、博士生导师、能源与碳中和科教融合学院副院长，入选了浙江省科技创新领军人才、浙江省高等学校中青年学科带头人等。担任中国化工学会工程热化学专委会副主任委员、中国机械工业教育协会热能工程学科教学委员会委员、浙江省能源标准化技术委员会委员、Journal of Analytical and Applied Pyrolysis和Waste Disposal & Sustainable Energy期刊编委、《燃料化学学报》和《能源环境保护》期刊青年编委等，多次组织固废领域专题特刊并任客座主编。长期从事大宗固废清洁能源转化的基础研究与技术研发。近年来，主持承担国家重点研发政府间科技合作项目、国家重点研发项目子课题、国家自然科学基金项目、省自然科学基金重点项目、省科技厅重点研发项目课题以及省公益性项目、省建设厅科技研发项目、省生态环保厅科技项目以及企业委托研发项目等30余项。以第1作者出版学术著作2部，以第1作者和通讯作者发表SCI论文60余篇、授权发明专利20余项，以第1完成人获得浙江省科学技术进步奖二等奖、中国化工学会工程热化学创新奖、中国发明协会发明创业奖项目奖金奖等科技奖励。国家重点研发计划政府间国际科技创新合作资助项目（2024YFE0100200）
气化是解决工业有机固废高效清洁处置利用的重要技术，近年来被广泛使用，尤其在污染物减排和能源化再利用方面发挥着积极作用。通过维持还原性气氛实现气化反应，可将工业有机固废中的有机组分转化为高热值合成气。实施工业有机固废资源再生利用可以缓解对传统能源和化工原料的需求，有利于实现循环经济和可持续发展。从气化过程的影响因素、协同反应机制、产物预测等方面入手，着重综述了工艺参数、气化炉类型等对工业有机固废气化过程的影响规律，阐述了多元物料组分共气化过程中的协同作用机理。最后，梳理了近年来工业有机固废气化领域的研究重点，并提出了未来的研究方向，包括借助现代原位表征技术构建完整的协同反应路径，结合密度泛函理论解析共气化过程中的多反应耦合作用机制，利用机器学习优化工业有机固废气化的工艺参数，以及开展工业有机固废共气化的生命周期评价等。工业有机固废气化是一种将工业生产中各类有机固废转化为可再生能源的有效技术。随着工业化进程的不断推进，工业有机固废的产生量不断增加，包括各类工业污泥、食品加工厂残渣、皮革废物、废塑料、废橡胶、中药残渣等。预计到2025年，中国工业污泥产量将达到9000万t左右。传统的焚烧、填埋、贮存等处理方式往往存在着利用效率低、污染物排放量高、资源浪费等问题。相比之下，气化技术能够将工业有机固废转化为合成气或液体燃料等清洁能源，并且在此过程中能够实现资源的有效利用，减少环境污染。因此，工业有机固废气化技术备受关注，成为固废处理和保障能源安全的重要途径。气化是一种热化学转化反应，可以在较高的温度和低氧水平下将含碳有机固废转化为合成气、液体燃料和灰渣，进而实现资源化利用。气化合成气主要由H2、CO和CO2等组成，可以作为化工领域的合成原料使用，如生产生物甲烷、生物甲醇等。干燥、热解、氧化和还原是气化过程中的主要步骤（图1），在气化过程中，会发生多种化学反应，而且操作条件（如原料种类、气化器类型、温度、压力以及气化剂）会显著影响整体转化率。这些参数对气化反应过程的影响将在后续章节中讨论。由于工业有机固废来源广泛、成分复杂、均一化程度差，为气化过程带来许多挑战。工业污泥的高含水量和低热值等特性导致气化效率较低，能源消耗较高。废橡塑等热固性塑料的难破碎特性会导致进料堵塞等问题。不同种类工业有机固废协同气化是避免出现气化过程中各类问题的可行方法。许多研究人员已经研究了利用工业有机固废的共气化生产高品质燃料的方法。另外，工业有机固废在与其他碳基燃料（如煤、生物质等）共气化时不仅可减少煤炭资源的利用，还能减少CO2的排放，实现资源的综合利用。这些结果证明共气化可以在解决工业有机固废处理问题和减少温室气体排放的同时，提高处置效率和产物品质。由此可见，工业有机固废气化的能效一方面取决于原料种类、气化的工艺参数以及反应器的类型，另一方面也取决于添加其他碳基燃料而产生的协同作用。基于此，本综述旨在对近年来工业有机固废气化技术的研究进展进行系统总结和分析，包括气化工艺、气化产物特性、反应机理、共气化反应特性和产物预测等方面的最新研究成果。总结和展望了当前研究工业有机固废气化的最新方法和方向。通过对现有研究的梳理，旨在为工业有机固废气化技术的进一步发展提供参考和借鉴，推动该领域的持续创新和进步。![]()
图1 工业有机固废气化反应过程
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王旭, 罗振兴, 夏志鹏, 郭倩倩, 胡艳军. 工业有机固废气化技术的研究进展[J/OL]. 能源环境保护: 1-12[2024-08-14]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240803.
WANG Xu, LUO Zhenxing, XlA Zhipeng, GUO Qianqian, HU Yanjun. Research progress of industrial organic solid waste gasification technology[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-12[2024-08-14]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240803.
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编辑｜姚情璐
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