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    鉆瓜田科技成果推薦第11期:生物天然氣工程/氫能與燃料電池項目前沿科技

    雙碳目標下,國內氫能源具有巨大的發展空間,氫能將主要應用于交通運輸、工業、電力、建筑等領域。在“碳達峰碳中和”(3060)的目標導向下,氫能作為一種最清潔無碳的二次能源,憑借著來源豐富、靈活高效、應用場景廣泛等優點,在全球都迎來了巨大的發展機遇。

    1、木質纖維素整合生物加工糖化技術

    目前常規的木質纖維素糖化方法是添加游離纖維素酶及半纖維素酶系,但纖維素酶生產成本較高,且核心技術掌握在少數國外公司手中,嚴重限制了木質纖維素的工業化利用。整合生物加工(CBP)在一個反應器中完成從纖維素降解到能源產品合成的全過程,從而降低成本、簡化過程,是最有希望實現木質纖維素工業化應用的技術之一。 

    通過菌株工程改造及工藝優化,獲得熱纖梭菌的CBP高效糖化全菌催化劑,糖化效率比野生菌種高5倍以上,并最終建立木質纖維素產糖的一體化CBP工藝噸級示范,可發酵糖含量>80g/L。 

    我國每年的農林廢棄物總量約15億噸,若30%用來生產燃料乙醇,以6噸產1噸乙醇估算,則可形成7500萬噸燃料乙醇生產能力,與目前國內成品汽油消耗總量相當。因此,大量可再生木質纖維素類生物質資源的清潔、高效、低成本降解利用是加快發展循環經濟,保障國家能源安全和碳減排的一項重要戰略任務,具有不與人爭糧、不與糧爭地的突出優勢。該項目開發基于CBP技術的木質纖維素的高效利用工藝能極大降低下游產品的生產成本,簡化生產流程,具有廣泛的市場前景和可觀的經濟效益。

    2、農業秸稈等固態廢棄物沼氣/生物天然氣工程

    農業秸稈是纖維素生物質,質輕而難水解,纖維素生物質在厭氧發酵過程中,一方面,隨著物料逐漸被微生物降解,纖維素結構被破壞,附著微生物和物料木質素含量上升,物料密度逐漸增大,會隨著降解的進行,逐漸下沉;另一方面,由于沼氣的產生,沼氣的微小氣泡附著在纖維素物料上,會造成纖維素物料的上升,尤其是新進入罐內的纖維素物料,上浮現象更加明顯?;谏鲜龆喾N因素,農業秸稈厭氧發酵,尤其在高濃度條件下,運行過程中經常出現物料分層現象,嚴重時造成纖維素物料上浮后脫水,附著的微生物死亡后造成浮渣層結殼,從而造成工程運行中斷。因此,消除纖維素物料發酵過程中的分層現象,是保證高

    濃度厭氧發酵工程穩定、高效運行的必要條件。

    該項目依據發酵物料特性,針對秸稈類纖維素生物質發酵過程的氣液固三相復雜體系流體力學模型模擬,結合流體力學特征,精準表征和計算發酵體系的流體力學特征,對攪拌機安裝位置和角度以及組合方式與物料進出罐體方式進行系統優化,從發酵反應器整體空間結構方面進行傳質過程優化設計,綜合影響發酵運行的各種因素,集成生物質固態進料系統、高濃度攪拌系統、新型拼裝式反應器、沼渣沼液在線分離和保溫回流系統,整體設計和制造厭氧反應器,實現從進料到發酵到出料的全方位最優化設計和高度匹配,將技術固化于設備,開發出了高濃度厭氧發酵技術及與其配套的整體反應器,提高了厭氧發酵效率、降低了投資和運行能耗,完成了農業秸稈、禽畜糞污等為單一或混合原料的產業化示范工程。

    該項目通過核心設備的標準化、模塊化、系列化,已經實現標準化生產,具備成熟的商業化推廣條件,開展規?;镔|天然氣產業化項目推廣,建設國內領先乃至國際領先的生物天然氣工程,為農業秸稈等生物質廢棄物處理和分布式清潔能源供給提供產業化解決方案。

    3、沼氣高效提純精制生物天然氣

    沼氣是一種優質的清潔能源,可通過多29種生物質發酵獲得。我國有著儲量巨大的生物質資源,包括農業、工業和城市固體廢棄物,及其他相關產業的副產品等。沼氣利用的途徑有多種,比如直接利用燃燒供熱、熱電聯產或者提純凈化后作為車載燃氣、家庭供熱、化工原料等天然氣使用。沼氣經過提純凈化制備的生物天然氣,可以完全替代石化天然氣,根據現有技術水平和經濟可行性,我國能轉化當量生物天然氣1200億立方米,可以大幅降低我國對石化天然氣依賴程度。

    沼氣高效提純精制生物天然氣是沼氣提純凈化制備高品質生物天然氣、大幅提升甲烷利用品質的技術。目前沼氣脫碳的主要工藝包括有機胺吸收法、壓力水洗法、膜分離方法、變壓吸附法、物理吸收法、深冷分離法等。而本項目開發的沼氣加壓水洗技術集成了水洗脫碳過程中閃蒸技術的合理有效利用技術、吸收塔解吸塔內部核心部件的開發、同步回收二氧化碳技術、沼氣工程的能量集成系統設計和自動化控制系統設計等多個方面進行優化設計和開發。本項目開發的沼氣加壓水洗技術結合撬裝設備的設計理念,可在各種處理規模的沼氣工程中加以應用推廣。

        該項目通過核心設備的標準化、模塊化,已經實現標準化生產,具備成熟的商業化推廣條件,可開展沼氣高效精致生物天然氣產業化示范項目推廣,依托科研裝備研制和關鍵技術,開發和研制了日處理能力2400m3的秸稈生物天然氣純化產業化中試科研裝備系統。

    4、高性能聚合物固態鋰電池技術

    我國《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035)》,提出加快固態動力電池技術研發及產業化是“新能源汽車核心技術攻關工程”。針對傳統液態鋰離子電池主要存在的續航和安全方面的缺陷,面向國家深海裝備重大戰略需求,研究所固態能源系統技術中心深耕固態鋰電池關鍵技術,歷經十幾年攻關,國際首創“剛柔并濟”聚合物復合固態電解質,秉承“功(率)能(量)兼備”的系統設計理念,開發出具有完全自主知識產權的高比能、高安全、高耐深海壓、長使役壽命固態鋰電池及深海特種電源系統,率先在馬里亞納海溝實現全海深應用,為國家深海環境探測、科學研究提供了強有力的能源技術支撐,在國際上開創了高比能固態鋰電池特種電源系統深海智能裝備應用新局面,設了國際一流的固態鋰電池研發和生產裝備平臺,建立了完整的固態鋰電池技術體系,形成了具有自主知識產權的關鍵技術和核心產品。性能指標達到能量密度300-500wh/kg,循環壽命1000+次。

    建成了百兆瓦工程化平臺,成功研制出“剛柔并濟”的高安全、高比能固態鋰離子電池,于國內首次實現全深海電源動力應用,已累計為各類深??瓶佳b備用戶提供了近百批次固態鋰電池電源系統。

    5、氫能與燃料電池項目

    雙碳目標下,國內氫能源具有巨大的發展空間,氫能將主要應用于交通運輸、工業、電力、建筑等領域。在“碳達峰碳中和”(3060)的目標導向下,氫能作為一種最清潔無碳的二次能源,憑借著來源豐富、靈活高效、應用場景廣泛等優點,在全球都迎來了巨大的發展機遇。

    聚焦綠色規?;茪浜蜌錃饧兓? 開發出系列離子傳導膜材料及相應中空纖維膜、管狀膜、平板膜、催化劑等,用于電解水制氫、工業副產氫提純等領域,完成10kW級再生燃料電池開發及與太陽能電池聯用。在電解海水制氫方面開發了一系列高價陰離子插層、原位刻蝕生長的催化劑,展現出杰出的抗氯離子腐蝕性能。面向氫燃料電池核心鍵部件雙極板國產化的重大產業需求,突破高性能超?。?.4-1.8mm)柔性石墨雙極板關鍵技術,完成批量化生產工藝開發(年產能20萬片),技術指標處于同類產品領先水平。推進燃料電池系統產業化,開發燃料電池電堆(產能10MW),功率不小于50kW、功率密度大于3kW/L。燃料電池系統集成技術,完成特殊領域用大功率發電系統開發和地面聯試,開發無人機氫燃料電池可以有效提高無人機的巡航時間3-5倍。在甲醇燃料電池方面,成功研發出千瓦級甲醇燃料電池、便攜式甲醇燃料電池(50-100W)并且通過了現場實證。

    6、“三高”天然多糖改性制備及應用開發技術

    2021年是《化妝品監督管理條例》實施的第一年,這對日化行業的方方面面產生顛覆性的改變,尤其是新原料或成工廠競爭焦點?;瘖y品原料既是安全的核心,也是技術創新的核心。本項目開發的改性天然多糖類化合物是系列天然可再生可降解的綠色資源,研究團隊以來源廣泛、可再生的瓜爾膠、淀粉、田菁、羅望子、皂莢豆膠等天然植物多糖為基材,經過改性修飾,既保留了天然多糖無毒副作用和可生物降解的優點,又賦予了其優異的增稠、調理、柔順等性能,主要應用附加值高的日化產品的調理增稠以及香精包埋。近年來,國內天然多糖類產品正以年均20%的速度增長,2020年國內需求量可達到1000萬噸,多個多糖品種凈利潤甚至高于10~20萬/噸,市場容量市值將超萬億美元,市場發展潛力巨大,多糖原料產業一直處于高附加發展行業,國內擁有高精端的生產企業數量少之又少。

    在上述開發的改性不同天然植物多糖基礎上,根據各改性多糖的特性,本項目進一步進行生產效益和社會效益較高的日化領域中的應用開發,致力于解決該領域內發展過程中的一些關鍵技術問題,打造技術創新型的研發公司。利用改性天然多糖進行適當的配合,開發了所有工業化表活中最具可持續發展的谷氨酸表活洗護系列,解決了氨基酸洗護行業中存在著氨基酸表活增稠難、去污力差、泡沫不豐富、調料性差等等制約行業發展的主要技術瓶頸。我們洗護的成分主要有三類:植物活性多糖、氨基酸表面活性劑體系、功效營養體系。完全沒有硫酸酯鈉(S系列)、硅油柔潤劑系列、聚季銨鹽調理劑系列、控油調脂成分、去屑劑等成分,合成類增稠劑系列,無需護發素。實現行業新突破。

    7、高鎳梯度鋰離子電池正極材料技術

    正極材料是鋰離子電池的瓶頸,占電池總成本30%以上。消費者對電池的續航能力要求越來越高,高鎳化是提升三元正極材料比容量的核心方案,但高鎳化后的材料存在安全性能差、循環壽命短及表面堿性高等問題,而使高鎳三元材料梯度化是除單晶外另一條有望一次性解決上述三種問題的可行技術路線。高鎳梯度三元正極材料是指從二次顆粒核心到表面,鎳元素含量逐漸減少而鈷和錳元素 

    含量逐漸增多的一種材料設計,該方案既可以利用表面含量較高的錳元素穩定材料結構、提高其安全性能,又可以充分發揮核心高鎳材料的高比容優勢和循環性能,還可以降低材料表面的堿性,實現“一石三鳥”的目的。

    該項目已完成在20L反應釜中試規模的工藝條件探索,并將其放大應用到2 m3的反應結晶器;研發了高效的旋轉燒結爐,可保證燒結產品質量的一致性。實現了從前驅體制備到燒結及商品化材料包覆和摻雜工藝的優化,完成了高鎳三元正極梯度材料從工藝到生產裝備的研發,滿足了梯度材料的規?;a示范,現可進行對外合作。

    8、微藻合成生物技術與綠色生物制造

    隨著經濟持續增長、核心人群擴容,中國化妝品行業逐步發展為一個初具規模、極富生機活力的產業,迎來了行業的黃金時代。成分新星-甘油葡糖苷(以下簡稱GG)的發現與應用,除了能達到與透明質酸等同的保濕效果以外,GG優異的透皮性,有效活性成分可直達皮膚真皮層,發揮抗衰去皺、抗炎舒敏、護發養發、提質亮膚等多種生理功效,廣泛應用于護膚養發等產品中,逐漸為品牌方和消費者所接受和追捧。 

    針對市場上GG多構型、多雜質、非天然、不環保、高成本的問題,成功開發國際首創微藻合成高值天然產物甘油葡糖苷先進生物制造技術—SCGP技術(Smart Cyano Glucosylglycerol Polygeneration Technology),實現高品質天然GG產品的量產和銷售。采用國際首創SCGP生物制造技術,通過細胞無損傷提取等獨家專利技術精制,全生產過程環境友好,不使用有機溶劑,純度可達世界領先水平的99%以上。產品易溶于水,適用pH范圍為3.0-11.0,對皮膚及眼睛均無刺激性,不含激素、農殘及重金屬,可直接應用在保濕水、膏霜、乳液、精華液、凝膠、面膜及護發養發等多個化妝品類目中,且與其他化妝品無不兼容現象。 

    目前GG已經廣泛應用于面膜、化妝水、面霜、防曬霜、乳液等化妝品中,并積極在功效性食品、母嬰類產品等領域拓展應用場景,已取得突破性進展,實現了國產替代?;谥锌扑{智GG優異的產品功效和99%以上的高純度,加上純天然來源的加持,未來在醫藥領域有非常巨大的應用潛力和發展空間。

    9、固體廢物生產新型生態透水磚技術

    該項目以石墨尾礦等固體廢物為主要原料,以頁巖代替粘土作為塑化劑提高成型工藝性能,在配料中加入爐渣,利用爐渣殘余碳燃燒產生的熱量,實現磚體的燒結,從而制備生態透水磚。這一方面研制的生態透水磚具有透水、保水、美化、硬化等多項功能,對城市大氣調節、地表植被生長、地下水保護,城市生態環境改善,建設海綿城市具有重大意義;另外,可解決固體廢物對環境的污染的問題。本項目創新之處在于:1、原料中以閑置資源--頁巖代替粘土,不僅節約土地,還提高了透水磚的生產工藝性能和產品性能。2、以爐渣為原料,利用爐渣中殘留碳燃燒產生的熱量,實現磚體的燒結,無需外加熱源,增加了固體廢物用量,節約了能源。本產品的優勢在于:環保、無污染、生產工藝簡單、成本低,具有較好的社會、經濟和環境效益。

    由于其他廠家的生產成本較高,且由于主原料的有限性,限制了其推廣應用。而采用本項目技術生產的產品,由于采用石墨尾礦、爐渣等固體廢物為主要原料,原料儲量大,因此生產成本低;再加上國家環保政策的優惠,該產品有明顯的價格競爭優勢,并可擴大環保陶瓷生態磚的應用,擴大市場。因此,本產品具有良好的市場前景。

    10、快充型鋰電負極材料開發技術

    安全性和高成本是動力鋰離子電池發展的瓶頸。鋰離子電池主要由正極、負極和電解質(包括隔膜)三部分組成,負極材料角度看,隨著對于縮短充電時間的迫切需求,能夠提供較高快充能力的人造石墨逐漸成為市場的主流,能夠提高更高能量密度的硅碳材料也逐漸得到推廣應用,但是無論是人造石墨或者硅碳負極材料,隨著動力電池能量密度的不斷提升在進一步提升快充倍率性能方面均有較大的局限性。在傳統負極性能日漸不能滿足動力市場需求的背景之下,軟/硬碳等快充負極材料由于其特殊的儲鋰機理、具有優異的安全性、倍率特性、低溫電化學性能而備受關注,特別是針對10C以上大電流充放電應用時??紤]到軟/硬碳類負極材料其低溫性能和倍率性能遠優于現有石墨類負極材料,與石墨類材料混合使用可以大幅度改善石墨復合負極材料的倍率性能,但是由于制備工藝以及成本上的原因,目前只有日韓企業有相關軟/硬碳等負極的制備以及應用報道,在我國還沒有的得到大規模的應用,頭部電池材料廠家只有相應的技術儲備也沒有相應的產業化商品推出。 

    軟/硬碳等負極材料在制備過程中不需要高溫石墨化處理,可以通過原料篩選及預處理工藝、造孔及表面修飾技術充分利用缺陷改善鋰離子在碳材料中的快速傳輸性能,有望開發出兼具高容量、高首效、高倍率、低成本等突出特性的動力鋰離子電池用碳負極材料。因此,本項目開發出使用焦類作為原料的兼具高功率高容量特性的動力鋰離子電池用軟硬碳負極材料,通過對制備工藝的優化改善電化學性能并提高材料首次效率,可以開發出比容量300-500mAh/g系列負極材料產品,具有超快充(>10C)、超長壽命及優異的低溫特性,可以廣泛的用于2V/48V啟動電源、混合動力汽車、超快充3C類電池、鋰離子混合電容、低溫電池以及軍事特種電池等領域。 

    鉆瓜科技成果推薦:不定期推薦有一定應用前景的成果或技術,僅供大家參考。

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