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973固废重大基础研究


       
        2011年1月12日,中国首个固体废弃物国家重点基础研究发展计划(973计划)研究项目“可燃固体废弃物能源化高效清洁利用机理研究”项目启动会议在浙江大学召开。
 
        这是我国第一个以固体废弃物能源化利用过程中存在的科学问题为研究目标的重大基础项目,该项目紧密结合我国城市生活垃圾能源化高效清洁处置这一重大需求,通过深入研究废弃物在不同控氧环境下的热化学转化机理和污染物控制模型,有望形成新一代近零排放的可燃固体废弃物高效能源化利用集成理论与技术体系,解决目前社会广为关注的生活垃圾处置过程所带来的潜在二恶英污染等问题,项目研究对于推动节能减排和经济社会可持续发展具有重要意义。


(一)项目拟解决的基础科学问题
        清洁高效是我国可燃固体废弃物能源化利用的核心问题,但是由于可燃固体废弃物组分的复杂性,相关的基础研究还无法满足高效清洁处置技术发展的需求。从能源化角度来看,可燃固体废弃物中有机组分时空差异性大,与传统化石燃料和木质纤维素生物质在热化学转化的途径、机理上存在很大差别,不同气氛对可燃固体废弃物热化学转化产物有着根本的影响,如何通过氧化剂的调控来实现可燃废弃物热化学转化过程的高效性和产物的清洁性是其能源化利用的关键环节。从环境化学角度来看,由于可燃固体废弃物源头构成复杂,导致有机无机污染物在热化学转化过程中同时存在不同组分之间交互耦合,如何实现二恶英和重金属等关键污染物近零排放,是一个全新的多学科交叉研究领域。
        本项目针对可燃固体废弃物高效清洁能源化利用的关键科学问题,研究可燃固体废弃物高值化预处理调质和源头控污机理,掌握以低二恶英排放为目标的还原/氧化气氛下可燃固体废弃物热化学转化机理,探索可燃固体废弃物热转化利用过程中二恶英类物质的生成阻滞、非毒性定向诱导和重金属稳定脱毒及关键污染物的协同脱除机制,研究不同气氛下热转化的全过程协同优化和产物高值利用途径,形成适合我国可燃固体废弃物特性的新一代高效能源化利用集成理论,为具有自主知识产权的可燃固体废弃物高效清洁能源化利用技术的开发提供科学指导和理论支撑。
        本项目的开展将在能源、环境、化工等相关学科交叉的基础上形成可燃固体废弃物高效清洁能源化利用学科新方向。
        本项目的科学意义在于揭示以低二恶英排放为目标的还原/氧化可控气氛下可燃固体废弃物热化学转化机理,阐明关键污染物在热转化过程中的生成、迁移规律,基于源头调质、气氛调控、过程阻滞、定向诱导和协同优化,建立新一代近零排放的高效能源化利用集成理论,为以城市生活垃圾为主的可燃固体废弃物高效清洁能源化利用提供科学指导。

(二)项目对解决国家重大需求问题的预期贡献
        课题研究围绕可燃固体废弃物高效能源转化和清洁利用,突破传统固体废弃物热处置模式限制,研究低二恶英排放的热化学转化机理,提高能源化利用品质及效率,探索关键污染物全过程协同控制并达到近零排放,形成新一代可燃固体废弃物热化学转化耦合集成理论。通过本项目的实施,预期在以下几个方面为解决可燃固体废弃物能源化利用重大需求做出贡献。
        (1)促进我国可燃固体废弃物高效能源转化利用,为优化我国以化石燃料为主的能源供应体系做出贡献
        根据可再生能源定义,以城市生活垃圾为主的可燃固体废弃物属于可再生能源中的生物质能范畴。根据我国《可再生能源中长期发展规划》提出的主要发展目标,到2020年,生物质发电总装机容量达到3000万千瓦,与其它生物质能相比,以城市生活垃圾为主的可燃固体废弃物不仅总能保有量大,而且增长稳定。在城市生活垃圾实行分类收集后,具有多组分特征的可燃固体废弃物同样需要先进高效、排放可控的热化学处置新方法。因此通过本项目相关高效热处置基础研究和创新理论体系的构建,实现可燃固体废弃物能源化高效清洁利用,可为实现国家可持续发展目标做出重要贡献。
        (2)促进我国可燃固体废弃物清洁处置,为实现我国环境保护规划目标做出重要贡献
        根据《国家环境保护“十一五”规划》提出的发展目标,我国可燃固体废弃物以减量化、资源化、无害化为原则,防治固体废物污染,保障环境安全和发展循环经济。根据《2008年中国环境状况公报》,2007全国城市生活垃圾清运量达1.5亿吨,但真正安全无害化处理率低,以简易填埋为主的处置方式已使沿海很多经济发达城市出现垃圾围城现象。通过本项目还原/氧化可控气氛下热化学转化理论和关键污染物全过程排放控制机理研究,有望实现我国可燃固体废弃物热处置的近零排放,改变我国城市生活垃圾处置问题,促进城市可持续发展,为国家环境保护目标做出重大贡献。
        (3)构建我国新一代近零排放的可燃固体废弃物高效能源化利用集成理论,解决社会普遍关注的二恶英、重金属等污染物排放控制问题,为和谐社会发展做出重要贡献
        基于可燃固体废弃物能源化利用过程关键污染物的化学形态和物理赋存的迁移、变化机理研究,通过源头调质、气氛调控、过程阻滞、定向诱导、协同脱除等创新设想,建立能源化利用全过程中关键污染物排放的多途径耦合控制新机制,形成新一代近零排放的能源化利用集成理论,解决可燃固体废弃物能源化利用过程中社会普遍关注的二恶英、重金属二次污染问题,使可燃固体废弃物处置进入绿色可持续的良性循环中,为和谐社会发展做出贡献。
        综上所述,本课题研究将紧密结合我国城市化发展过程中所面临的环境与能源重大需求问题,针对复杂组分可燃固体废弃物在能源化利用过程中存在的关键科学问题,力求在理论、关键技术和方法不同方面取得重要突破。本项目的实施,有望为我国可燃固体废弃物实现能源化高效清洁利用、跻身国际先进行列解决关键理论和技术问题,为确保未来我国可燃固体废弃物能源化热处置的健康发展奠定科学基础。

(三)项目首席科学家
        严建华,男,博士,教授,博士生导师。1990年毕业于浙江大学,获博士学位,1995年晋升为教授,1996年任博导,教育部“长江学者奖励计划”特聘教授,曾获浙江省青年科技奖,入选国家百千万人才工程、教育部跨世纪人才、浙江省跨世纪学术和技术带头人和浙江省高校中青年学科带头人,获国务院政府特殊津贴和浙江省有突出贡献中青年科技专家,任中国工程热物理学会和中国电机工程学会理事、浙江省固体废弃物处置重大科技专项专家组长、“工程热物理学报”、“燃料化学学报”、“中国能源”、“安全与环境工程”杂志编委。
        严建华教授作为负责人至今共完成了40余项科研项目,包括国家重点基础研究发展规划项目课题1项、国家发展改革委员会重大环保专项1项、国家自然科学基金项目1项、教育部科学技术重大研究项目1项,浙江省重大科技专项1项,多项成果被鉴定为“国际领先水平”。近五年内作为项目负责人承担了16项科研任务,其中包括国家863重点课题1项、国家自然科学基金2项,教育部重大科技项目和博士点基金各1项,建设部和环保部研究项目各1项,浙江省重点创新团队和条件平台建设项目各1项,浙江省重大科技专项2项,浙江省自然科学基金和专利转化项目各1项。近年来共获各类科技成果奖5项,其中国家科技进步奖二等奖1项(为第二获奖人)、国家优秀教学成果二等奖1项(为第四获奖人)、中国专利优秀奖1项、浙江省科技进步一等奖1项(为第二获奖人)、浙江省电力科技进步二等奖2项(为第一获奖人)。在国内外杂志、会议上共发表论文250余篇,其中作为第一、二及通讯作者150多篇,SCI、EI论文100余篇。共拥有8项发明专利,2项软件著作权,合作出版专著5部(其中外文专著1部现在出版过程中)。

(四)项目其他成员单位

清华大学
环境模拟与污染控制国家联合重点实验室
依托于清华大学环境科学与工程系。联合实验室的主要研究方向如下:(1)污染物在环境中的迁移转化规律、行为效应及生态与健康影响;(2)环境生态系统的模拟及污染控制的新理论新技术;(3)大气污染物的变化传输规律及全球性区域性大气环境问题的控制对策;(4)可持续发展与解决重大环境问题的策略。实验室建立的完善的公共研究平台,拥有HRGC/HRMS、UPLC/MS-MS、GC/MS-MS、ICP、基因分析仪、微软高性能计算服务器等大型设备20多台以及其他各种测试和计算仪器。近年来,实验室承担并完成了多项国家重大科研项目,取得了一批高水平的研究成果,培养了一批高层次的科学技术人才,成为我国污染控制技术领域中一支重要力量和培养一流人才的重要基地。该实验室于2002年开始焚烧飞灰的无害化研究,并承担了国家第一个有关飞灰处置的863课题。针对焚烧飞灰的特点和现有危险废物处置的现状,提出了“强化处理—放宽出口”的思路,采取“二恶英自催化脱氯/重金属稳定化—卫生填埋共处置”技术路线,实现了在现有技术条件下的焚烧飞灰安全处置,该技术被环境保护部列入2007年度和2008年度国家先进污染防治示范技术名录。
热能与动力工程教育部重点实验室
长期从事复合垃圾焚烧炉的设计、工程实施以及相关基础研究工作,在垃圾焚烧过程的实验室研究和工业现场测试方面积累了丰富的经验。该单位拥有1MW循环流化床实验台、层燃模拟炉、垃圾干燥实验台、管式炉等实验装置,以及全自动物理/化学吸附分析仪(BET)、压汞仪、热重分析仪(TGA)、傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)、元素分析仪、气相色谱仪(GC)、气相色谱/质谱联用仪(GC/MS)、电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)等先进分析测试仪器,同时还配有引自德国的1-2 kg/h回转式固体废弃物热解实验台、自有的可视化流化床热态实验装置、垃圾气化实验装置、干燥实验台、管式炉实验台等专用实验装置,可保证本项目的顺利实施。

华中科技大学
煤燃烧国家重点实验室以煤的高效低污染燃烧理论和技术为核心,在燃烧与污染科学和技术以及热能转换与利用相关领域开展研究,主要研究方向有:燃烧理论与湍流反应流体力学,能源利用中的污染物生成机理与防治,热能转换与先进利用,热力设备与系统的诊断、优化与综合评价。近几年来,承担国家重大基础研究规划项目(973)、国家高技术研究发展计划(863)、国家自然科学基金重点、面上、国际合作等项目100余项,并于2007年入选国家自然科学基金创新研究群体,获得包括国家自然科学奖、国家技术发明奖、国家科技进步奖在内的省部级以上科技奖励十多项。实验室在固体燃料燃烧与热解及气化机理、燃烧过程中矿物质的成灰特性、固体燃料燃烧过程污染物生成与控制理论以及资源化利用等方面形成了富有特色和自成体系的研究成果,相关成果曾获国家自然科学二等奖。

同济大学
污染控制与资源化研究国家重点实验室于1989年获国家计委批准成立,涵盖环境科学与工程一级学科博士点和博士后流动站、市政工程二级学科博士点和土木与水利博士后流动站。实验室现有中科院院士1人、中国工程院院士1人、“千人计划”1名、国家杰出青年基金获得者2名、长江学者1名、新世纪人才支持计划9名。是有重要影响的环境科技创新和高层次人才培养国家级基地。有关成果获国家、省部级自然科学奖和科技进步奖60余项,其中以第一完成单位获国家科学技术进步二等奖3项,国家技术发明二等奖1项。实验室现拥有完整的物质分析平台,可为生活垃圾性质表征及其转化和衍生产物鉴别提供条件,包括TGA-DSC、TGA-GC-MS等热分析系统;GC-ECD/FPD氮/硫系恶臭色谱分析系统、预浓缩-痕量气相色谱仪、GC-MS、HPLC-MS、高效液相色谱有机酸专用分析系统、智能傅立叶红外光谱仪、傅立叶变换近红外光谱仪、离子色谱仪、元素分析仪、痕量和常量总有机碳分析仪、原子吸收光度计、ICP-AES、ICP-MS、全自动直接汞分析仪、有机硫卤分析仪、XRD等物质分析系统;固体废物破碎系统、全自动凝胶净化系统、有机物分离分级成套装置、低温冷冻干燥器、湿式筛分设备、超声破碎仪、TCLP振荡器等预处理设备;Zeta电位仪、颗粒粒度/计数分析仪、基因突变检测系统和蔡司荧光显微镜、荧光分光光度计、CST测定仪、粘度测定仪、连续流动式营养盐自动分析仪、定量-PCR、FISH、专业分析计算机系统(Tripos INC)等性质分析设备。

东南大学
热能工程研究所是教育部“211工程”和“985”工程中东南大学重点建设的科研基地之一,建有“动力工程与工程热物理国家博士后科研流动站”、“火电机组振动国家工程研究中心”。长期从事煤、生物质的常压和加压燃烧、气化及其污染物生成与控制机理的研究工作,尤其在加压燃烧和气化方面特色鲜明,近五年共承担国家重点基础研究发展规划项目(973)二级课题5项,国家“863”高技术项目2项,国家自然科学基金重大项目子项1项和面上项目18项,部省级科技项目五十余项,获部省级科技成果奖16项,被授权专利50余项,总科研经费11000万元。建有加压流化床燃烧,加压喷动流化床气化,循环流化床燃烧与气化等各类综合试验装置30余套,拥有在线烟气成份分析仪、在线煤气成份分析仪、热显微镜、加压热重分析仪(PTG)、热重红外联机分析仪(TG-FTIR)、粒子图像测速仪(PIV)、粒子动态分析仪(PDA)、激光粒度分析仪、气相色谱仪等多台大型设备和仪器。该单位在可燃固体废弃物气化、热解和燃烧机理方面开展了大量的研究工作,其中城市生活垃圾气化熔融焚烧、污泥干燥、污泥焚烧、生物质循环流化床燃烧、生物质气化零排放制氢等研究成果,已获得国家发明专利多项。成功开发出城市生活垃圾气化熔融焚烧炉、旋流式和流化床污泥干燥装置、生物质流化床燃烧炉,其中内热式旋流污泥干燥装置已建成38套装置,用于16家企业不同形式的污泥干燥,已有2台75t/h生物质流化床燃烧发电系统在国电集团山东京能生物质能电厂投产。“十一五”以来,在可燃废弃物研究利用领域先后承担国家自然科学基金重大项目子项,国家自然科学基金面上项目和部省级科研项目等12项。

华南理工大学
电力学院
一直从事固体废弃物在燃烧、热解等方面的研究工作,对固体废弃物热解动力学、燃烧特性和机理有较系统、深入的研究,在固体废弃物能源化利用方面取得了重要进展。承担了国家重点基础研究发展规划项目《燃煤污染防治的基础研究》课题“痕量重金属的排放和抑制”,国家高技术发展计划课题“水泥与分解窑系统降低氮氧化物的技术研究”,国家自然科学基金 “基于模型化方法的垃圾焚烧炉自适应控制策略研究”、“液化天然气储运安全性问题的非线性机理及其智能评价”、“基于生物质低温受控燃烧的碱金属协同环境固定化机理研究”,广东省自然科学基金研究团队项目“固体废弃物能源利用”、广州市科技局重大专项“城市生活垃圾焚烧发电技术及装备产业化”等项目研究,在Waste Management 、Biomass & Bioenergy、Energy Conversion and Management、Renewable Energy、Applied Energy等学术期刊上发表多篇论文,授权6项国家发明专利,2项实用新型专利。获得广东省科技进步二等奖,“固体废弃物能源利用”获广东省科技进步三等奖。该单位备有德国耐驰STA 409 PC型同步热分析仪、烟气分析仪、烟柱型烟气摄像仪、热线风速仪、色谱仪、马费炉、干燥炉、循环流化床、回转窑、一维燃烧炉、燃煤锅炉、燃油锅炉等设备。上述研究基础可为本项目的进行提供支持。
中国科学院广州能源研究所
是我国最早专门从事热化学利用技术研究的单位之一。近十多年由开展了有关城市固体生活垃圾的研究和技术开发,共完成国际合作、国家、省部级及与企业合作的项目近三十项,取得专利二十多件,发表论文近百篇。曾获得国家“九五”科技攻关优秀成果奖、国家科技进步二等奖、国家发明专利优秀奖、广东省科技进步一等奖、二等奖和广东省发明专利金奖等;城市生活垃圾处理技术曾获得广东省科技进步一等奖、二等奖等,相关团队获中国科学院"百人计划"优秀团队和广东省优秀团队。该单位在废弃物无害化处理及资源化利用方面已进行了二十多年的研究。研究所对垃圾组分的物化特性、无害化处理及资源化利用特性方面取得了丰富的研究成果。利用基础研究取得的成果,先后承担了中国科学院知识创新方向性项目“能量自给型城市生活垃圾综合处理示范工程”、国家科技部“十五”攻关重点项目“大型生物质气化发电产业化关键技术”、广东省粤港关键领域重点突破招标项目“5MW 生物质气化与有机废弃物燃烧联合发电系统”、广东省中国科学院全面战略合作项目“城市污泥资源化与能源化综合利用成套技术与设备”等应用技术开发工作,积累了宝贵的实际开发经验。通过多年的研究和开发工作,广州能源所在各类固体废弃物的无害化、资源化方面已经形成了一支经验丰富的研究队伍,具备了先进的研究条件,为进一步的深入研究提供了保障。
中国科学院生态环境研究中心
环境化学与生态毒理学国家重点实验室是我国持久性有机污染物研究的重要基地,生态环境研究中心于上世纪80年代率先在我国开展了二恶英类生成与降解等基础研究,积累了丰富的研究经验。在二恶类的检测分析方面,仪器设备和能力都达到国际先进水平。中心的二恶实验室通过了国家实验室认可和计量认证,同时被联合国环境规划署(UNEP)纳入全球POPs监测示范实验室序列,成为得到UNEP认可的POPs研究示范实验室。近年来连续获得3项国家自然科学二等奖,在国内领先优势明显。
中国科学院青岛生物能源与过程研究所
是专门从事生物能源与过程领域研究的高技术研究所,重点面向国家能源、资源与环境等重大战略需求。其热化学转化团队近几年来一直围绕生物质、固体废物、煤等可再生资源的处置、热化学能源化利用以及催化材料等方面开展研究工作,主要涉及固废燃料的催化热解、气化、燃烧特性研究;固体废物在热解燃烧特性及其污染物的生成机理及控制方法的研究;含油污泥低温催化热解特性研究;热解燃烧及燃料转化过程中涉及的催化剂制备及性能研究等。该单位拥有磁悬浮热天平及质谱、色谱、红外等本项目研究必需的先进仪器,为本项目顺利实施提供强有力的支持。

沈阳航空航天大学
辽宁省清洁能源重点实验室
辽宁省清洁能源重点实验,依托单位是沈阳航空工业学院清洁能源与环境工程研究所。目前本研究所研究人员15人,教授2人,副教授7人,其中7人具有博士学位,3人正在攻读博士学位;研究所两名外国专家,Bernhard Raninger教授主要从事有机垃圾生物处理技术研究,曾获国家友谊奖1次,Martin Gehring博士主要负责实验室主要负责实验室建设和管理工作。研究所主要从事危险废物污染控制与资源化、基于源头分类的城市生活垃圾综合利用处理、生物质能高效利用研究及污染分析与控制技术等方面的研究和开发。拥有实验室面积2000m2,拥有的设备包括原子吸收光谱(PerkinElmer AAnalyst200)、灰成分分析仪、元素分析仪、色谱质谱联用仪(Shimadzu GC-MS)、热分析天平(Shimadzu TG-DTA)、在线高温物性测定仪(配CCD)、高效液相色谱(Shimadzu HPLC)、气相色谱(GC)、固体废物切割-研磨机、Testo (350XM)烟道气精密分析仪、原子荧光光谱仪、灰熔点分析仪、氧弹式量热仪等;
  
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