当前研究课题

用于超级电容器的木基活性炭(WAC)开发

英属哥伦比亚大学与中心企业成员 Cantimber Biotech Inc. 的联合项目

学者:Amir M. Dehkhoda 博士,英属哥伦比亚大学化学工程与生物工程系博士后
导师:Naoko Ellis 教授,英属哥伦比亚大学

项目介绍:

       Cantimber Biotech Inc. 公司是加拿大唯一一家用于净化水、食品和药品的木质活性炭(wood-based activated carbon, WAC)的大型生产商。为了进一步扩大其产品应用,目前的研究项目重点是将 WAC 开发为能源存储材料,即超级电容器。与目前的商业碳基储能材料(例如成本高昂且制备复杂的碳纳米管)相比,WAC 的可再生性及成本效益将是其主要竞争优势,产品成熟后有望进入高端及小众市场。


生物质半炭化气体和蒸汽催化燃烧动力学分析研究

访问学者:李奕川,中国石油大学(华东)化学工程学院讲师
接收教授:毕晓涛教授,英属哥伦比亚大学

项目介绍:
       半炭化是一种生物质热处理过程,在没有氧气的情况下,生物质原料加热到200-300°C发生的反应。主要目标是使用半炭化的生物质作为燃料,可显著减少温室气体排放。木质生物质半炭化过程中释放的挥发性物质通常在燃烧装置中燃烧,以提供半炭化装置所需的热能。燃烧动力学描述反应温度、加热速率和停留时间等参数对转化率的影响,动力学分析的一个主要优点是可以预测反应产生气体和蒸气燃烧的反应速率。

       本研究的目的是通过实验和理论研究来探索生物质半炭化过程中释放的挥发性物质的催化燃烧动力学。主要问题是:a)通过热重分析(TGA)和差示扫描量热仪(DSC)研究挥发性物质的催化燃烧行为;b)综合评估催化燃烧的性能;c)建立生物质半炭化气体和蒸气的催化燃烧动力学模型。


焦油水蒸气重整研究

访问学者:郭常青,中科院广州能源研究所副研究员
接收教授:毕晓涛教授,英属哥伦比亚大学

项目介绍:
       焦油作为生物质气化过程难以避免的副产物,对气化效率、人体和环境均有较大的负面影响,寻求一种可利用焦油中的能量,并避免焦油对环境污染的技术成为生物质气化技术发展和生物质能源的规模化利用的重大挑战。本研究开发一种廉价易得的催化剂,在固定床微型反应器中以焦油模型物萘为对象模拟生物质气化氛围下的焦油水蒸气重整实验,并研究催化剂改性、活化方法和反应条件等对反应活性和寿命的影响,从而为生物质气化中降低焦油含量并将其转化为可燃气体奠定基础。


微波-颗粒(催化剂)的相互作用

访问学者:李军中国科学院过程工程研究所研究员
接收教授:毕晓涛教授,英属哥伦比亚大学

项目介绍:
        与传统的常规加热相比,微波加热利用微波的特殊波段与颗粒的基本结构耦合可使温度迅速升高,同时具有能耗低和整体加热等特点。大量研究表明微波加热显著提高了气固传质速率以及反应的转化率和选择性。然而,关于微波加热强化化学反应的内在机制存在争议,其中一个焦点问题是:微波作用下颗粒表面与流体主体的温差尚不清晰,缺乏系统性研究。由于颗粒的物理化学性质及其吸收微波特性的多样性,不同研究者得到不同的、甚至相互矛盾的研究结果。这也表明单一通过实验研究认识和理解微波与颗粒(催化剂)的相互作用机制十分困难。本项目将通过理论计算、计算机模拟和实验相结合的方法,以微波作用下颗粒表面与流体主体的温差为切入点,认识和理解微波与颗粒(催化剂)的相互作用。


焦炭催化焦油重整

访问学者:吴志强,西安交通大学化学工程与技术学院讲师
接收教授:Naoko Ellis 教授,英属哥伦比亚大学

项目介绍:
        生物质的热化学转化,特别是气化和热解,可产生合成气以用于发电及石油化学品的生产。然而,上述过程中焦油的形成是商业化之前面临的主要挑战之一。在低温下,过滤器模块、内燃机和燃气轮机中可能发生结垢和堵塞。因此,生物质焦油的重整对于成功实现大规模热化学生物质转化是至关重要的。生物质热解产生的焦炭可裂解或重整生物质焦油,从而将其转化为气体或高价值产品,例如BTX:苯,甲苯,二甲苯。在这个项目中,我们将制备生物炭和焦炭载体催化剂来重整生物质焦油。生物质将在不同准备条件下(气氛,加热速率,最终温度,活化方法)热解以制取有效的焦油裂解催化剂,萘被选为焦油的模型化合物,在固定床反应器中研究催化剂对萘转化率和产物选择性的热学及催化效果。


细粒煤流态化摩擦电选

交流学生:杨勇,在读博士生
所属学校导师:何亚群教授,中国矿业大学化工学院
访问学校导师:毕晓涛教授,英属哥伦比亚大学

项目介绍:
        摩擦电选是一种细颗粒干法分选方法,它根据不同颗粒摩擦荷电差异在静电场中实现分离。在煤炭、矿物、粉煤灰、废塑料等分选加工领域应用前景广阔。流态化方法是一种理想的颗粒摩擦荷电方法,能使不同颗粒间摩擦碰撞带上异性电荷。本项目以煤和伴生矿物颗粒为研究对象开展研究,主要研究煤、石英、方解石、黄铁矿单组分颗粒和混合颗粒的流态化特性,以及流态化行为对颗粒流态化摩擦荷电的作用机制;电场对颗粒流态化行为的影响规律及调控机制;荷电颗粒在电场流化床中迁移运动的动力学模型;建立流态化摩擦电选实验室系统,研究异性荷电颗粒在电场流化床的分选富集规律。项目研究将解决流态化摩擦电选的关键基础科学问题,研究成果对其他物料颗粒的流态化摩擦电选也具有理论指导意义。


催化裂化提升管进料混合段内气固流动特性

交流学生:闫子涵,在读博士生
所属学校导师:卢春喜教授,中国石油大学(北京)化学工程学院
访问学校导师:毕晓涛教授,英属哥伦比亚大学

项目介绍:
        本课题提出一种实现原料油与催化剂逆向接触的新型催化裂化提升管进料段结构。主要采用大型冷模实验的方法考察进料混合段内的气固流动情况。通过PV6-D型光纤测量系统测定了进料段内颗粒浓度和速度的分布情况。采用气体示踪技术考察了喷嘴射流在进料段内的浓度分布情况及停留时间分布特征。此外,采用多点压力巡检仪考察了新型提升管进料混合段内的压力分布特征。现有研究结果表明,采用油剂逆向接触的新型进料混合段结构将会改善油剂两相在提升管内的分布和混合,提高反应效率。在此基础上,仍然需要对实验结果进行进一步理论分析,进而从理论上揭示新型进料混合段的优势。主要包括:1. 根据气体示踪的实验结果,分析射流相在提升管内的流动及返混特征,并与传统进料段结构进行对比。2. 进一步分析不同进料形式提升管内的压力分布和压力波动特性,为新型提升管进料混合段结构的工业应用提供理论依据。        


多颗粒输送床的CFD模拟研究

交流学生:刘文明,在读博士生
所属学校导师:李洪钟研究员中国科学院过程工程研究所
访问学校导师:毕晓涛教授,英属哥伦比亚大学

项目介绍:
        
本课题利用计算流体力学软件(CFD)研究了多颗粒输送床(MPTB)的流体力学性能。MPTB是一种流化床,其中细颗粒在床内循环流动,粗颗粒则以流化状态存在于密相床中。MPTB由于具有较高的传质和传热速率广泛应用于各种工业过程中,比如煤的气化和燃烧,石油焦化以及生物质。
        研究MPTB的性能主要有两个关键参数,分别是细颗粒空隙率和粗颗粒的终端速度。之前的研究主要集中于对这两个参数实验研究以及发展经验关联式。随着计算能力的发展,CFD模拟已经成为研究多相流的流体力学性能有效手段。然而粗细颗粒的复杂相互作用和有限的操作范围使得很难利用模拟研究MTPB的特征。目前还未见文献中报道过利用CFD模拟研究MPTB的两个关键参数。曳力是模拟模拟流化床的关键因素。但是传统的曳力模型,如Gidaspow模型, Wen-Yu模型 and Syamlal-Obrien模型,均高估了曳力系数,使得模拟产生较大误差。因此,本研究首次采用自行开发的结构曳力模型模拟MTPB的流体力学性能,利用CFD模拟验证了两个关键参数。此研究对于理解MPTB的流体力学性能和工业放大有着重要的指导意义。


碱金属/碱土金属对生物质在O2, CO2, H2O气氛中燃烧气化催化作用研究

交流学生:胡强,在读博士生
所属学校导师:陈汉平教授,杨海平副教授,能源与动力工程学院,煤燃烧国家重点实验室,华中科技大学
访问学校导师:毕晓涛教授,英属哥伦比亚大学

项目介绍:
        生物质由于其资源总量大,分布广泛,CO2零排放等优点而受到世界各国的广泛关注,将生物质进行燃烧、气化等转化制取能源产品是生物质转化利用的重要手段。生物质的燃烧或气化转化过程中,挥发分在高温下能迅速裂解转化释放,而焦炭却转化较为缓慢,因此对焦炭的燃烧气化过程中的行为过程及反应机理进行探讨是反应装置设计和反应过程优化必须考虑的问题;同时生物质碱金属/碱土金属含量较高,且低温难以挥发,在燃烧或气化过程中大部分残留在生物炭中,对生物炭转化起到催化作用,同时是造成锅炉腐蚀及积灰结渣的重要原因之一,因此考察碱金属/碱土金属等对生物炭燃烧气化过程的催化作用及反应机理对于提高生物质转化效率,缓解锅炉积灰结渣,促进生物质资源的利用具有重要的意义。因此,本课题主要针对生物炭在不同反应氛围(O2,CO2,H2O)中的反应特性及转化机理,重点关注碱金属/碱土金属对生物炭反应的催化作用,探讨K,Na,Ca,Mg等在生物质燃烧、气化反应过程中的作用机制。


焦油催化裂解研究

访问学者:张治国,浙江科技学院能源与环境系统工程系教授
接收教授:毕晓涛教授,英属哥伦比亚大学

项目介绍:
        生物质气化过程中产生的焦油问题对整个气化系统的效率以及最终商业化发展有着重要的影响,焦油的危害在于其冷凝之后对反应设备有较大的腐蚀性而且对后续的反应也有影响。因此,生物质气化过程中去除焦油十分必要。本研究开发了一种廉价易得的催化剂,并以生物质气化焦油模型物萘在固定床微型反应器中进行催化裂解脱除实验。实验结果表明,自制的新型催化剂活性优良,寿命持久,具有显著的工业应用前景。


生物质在脉冲流化床中的干燥过程

交流学生:屈超,在读硕士研究生
所属学校导师:王际东副教授,北京化工大学
访问学校导师:毕晓涛教授,英属哥伦比亚大学

项目介绍:
        能源一直在人类的生存和发展生活中发挥了重要作用。目前人类主要使用的石化能源正面临枯竭的危险,迫切需要开发出一种新型的可再生能源,以此来减少人们对石化能源的依赖,同时降低对生存环境的破坏。生物质能源,因其具有清洁性和可再生等特性,可以很好的解决能源安全、环境污染等重要问题,加之其规模化和商品化发展迅速,因而具有广阔的应用前景,可在能源结构中扮演重要的角色。
        然而,由于生物质存在结构不均匀,能量密度低,高含水率和高亲水性等主要问题,于是很难做成可以方便运输、贮存,以及自身具有高能量的生物能源产品。为了解决上述问题生物质需要通过干燥要进行预处理以达到增强能量的目的。
        通过干燥处理即烘热化学处理过程,类似于烘焙或轻度热解,可以使生物质获得更高的能量,并且降低含水率,增强耐磨性。使得生物质产品更容易运输、处理和存储。


新型填料式催化剂汽提器流动和传质特性的实验与数值模拟

联培博士学生:梁咏诗,在读
所属学校导师:卢春喜教授、张永民教授,中国石油大学(北京)
联培学校导师:毕晓涛教授,英属哥伦比亚大学

项目介绍:
        在工业中,催化裂化(FCC)是主要的重油轻质化加工工艺。催化裂化装置的核心——反应再生系统中广泛存在着不同流态的流化床,如催化裂化汽提器是典型的鼓泡流化床。催化裂化汽提器的主要作用是利用水蒸汽来回收夹带或吸附在催化剂间和催化剂微孔内的油气。汽提效率的高低对于整个装 置的经济效益有重要影响。为了改善汽提器内气固两相的接触,目前工业中使用的汽提器都装有挡板,最常见的挡板为盘环型挡板。盘环型挡板汽提器在径向上气固 分布仍较差,挡板下部存在死区,挡板所占面积大,一直以来在工业应用上都存在诟病。填料式汽提器往往采用若干排布不一的纵横构件将整个汽提空间在轴、径向 分割成多个单元,引导气固在各单元内进行高效接触和传质。填料式汽提器在工业上的已有应用表明:无论从气固径向分布均匀性、气固传质还是从空间利用角度, 它都很大程度上消除了传统盘环型汽提器中存在的问题。因此,本课题将在前期研究基础上,开发一种用于催化裂化装置的新型的多层格栅填料汽提器,旨在利用冷 模实验和数值模拟系统研究该汽提器和传统汽提器在气固流动、混合、传质特性的差异性,以证明其更高的工业应用价值。