化学科学与工程学院能源化学工程实验实训平台建成并取得研究进展

为深化工程教育改革，国家适时提出“新工科”建设。云南大学化学科学与工程学院积极行动，以服务地方经济为目标，依托云南省丰富的矿产资源(褐煤储量全国第三，森林面积2.73亿亩，居全国第三位，中缅油气管道管1000万吨/年炼油项目)，以能源化学工程为特色发展方向，在学校本科生院和“双一流”办以及学院领导的支持下，化学科学与工程学院建成了能源化学工程实验实训平台。该平台由化学科学与工程学院袁申富老师带领研究组进行设计、安装、调试和运行，建立了有自主知识产权的125 kg/d流化床+固定床热解气化平台、40 kg/h油品常减压+催化裂化精制平台、24 kg/d气流床热解气化反应装置、两段加压固定床热解气化反应器、催化剂评价装置等设备。该平台可用于本科生实验实训教学及相关科学研究，形成热解气化制燃料及化学品的核心技术。

在该平台上可以开展云南褐煤、生物质、石油焦、有机固定废弃物、污泥等含碳物质的资源化研究：生物质定向催化转化制燃料、化学品和生物炭，生物炭可用于高浓度有机废水、炭基有机肥、VOC脱出等过程中;在水蒸气和催化剂作用下进行石油焦(褐煤)催化气化制合成气、CH4/芳烃。本科生在该平台上进行工程实训，掌握了能源化学工程领域的相关知识和技能，提升工程素养，解决了工科学生实习困难的问题。同时，利用该平台进行科学研究，实现云南褐煤(石油焦)低碳清洁转化，为气化云南提供技术支撑。

二氧化碳排放增多导致的气候变化引起全世界范围的关注，已成为当前能源利用的研究重点，寻求新的绿色可持续能源代替传统化石燃料迫在眉睫。

图2 铁钙镍催化剂下生物质定向催化转化机理

生物质是唯一可以转化为气体和液体燃料，并用于化学合成原料的可再生能源。然而，生物质焦油是生物质燃气高效利用工艺发展的瓶颈，催化裂解是消除焦油的有效途径。化学科学与工程学院袁申富老师研究组围绕复合型催化剂原位催化裂解生物焦油提高氢气产率的关键科学技术问题，研发了生物质热解的二氧化硅，铁钙二氧化硅和铁钙镍催化剂，在常压高温下催化热解生物质。研究发现，二氧化硅作为催化剂时，结合试验数据与扫描透射电镜，BET比表面积分析、傅里叶红外等表征技术，结果表明二氧化硅可作为分散剂，促进生物质中矿物质的分散，提供了更多焦油裂解反应的活性位点，从而提高甲烷和轻质芳烃(苯，甲苯和二甲苯)的产率。该工作将有助于开发一种廉价的催化剂用于生物质热解制备高值化学品。为提供更多的活性位点，继而在二氧化硅的基础上，引入廉价的铁钙催化剂，一系列的铁钙二氧化硅催化剂被合成。结果显示铁钙二氧化硅催化剂能有效地促进生物焦油中氧的脱除，提高油品。在750℃的反应条件下，铁钙二氧化硅催化剂作用下氢气产率可达109.04ml/g，该催化体系同时也提高了芳烃的产率。而在铁钙催化剂中加入镍，结合X射线粉末衍射，扫描透射电镜等表征技术，该体系不仅形成 Ca2Fe 2O5 化合物，同时也有铁镍合金的形成。Fe-Ni合金作为焦油裂解反应的活性位点，有效的促进了焦油的二次裂解，降低焦油产率，提高气体产品中氢气的产率。

图3 铁钙二氧化硅下生物热解挥发分转化机理

相关成果以4篇SCI论文形式发表在能源化工国际著名期刊上：Fuel (影响因子：5.578，https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.118500，2020)，Fuel(影响因子：5.578，https://doi.org/10.1016/j.fuel，2020)，Journal of the Energy Institute(影响因子：4.748，https://doi.org/10.1016/j.joei，2020)，Biomass and Bioenergy(影响因子：3.551，https://doi.org/10.1016/j.biombioe，2020)。今后，研究组将从机理上深入研究生物质定向催化转化机理，并把相关小试结果在中试平台上完成工艺参数的优化和验证，与相关企业或研究团队进行联合科技攻关，争取尽快把这些技术应用于实际生产中，服务地方经济。论文第一作者为2017级硕博连读研究生鲁秋香，通讯作者为袁申富副教授、谢小光教授，第一通讯单位为云南大学化学科学与工程学院。

化学科学与工程学院 供稿

(编辑：李哲)

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