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(fā)展空間,氫能將主要應用于交通運輸、工業(yè)、電力、建筑等領(lǐng)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(wú)碳的二次能源,憑借著(zhù)來(lái)源豐富、靈活高效、應用場(chǎng)景廣泛等優(yōu)點(diǎn),在全球都迎來(lái)了巨大的發(fā)展機遇。

1、木質(zhì)纖維素整合生物加工糖化技術(shù)

目前常規的木質(zhì)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(chǎn)成本較高,且核心技術(shù)掌握在少數國外公司手中,嚴重限制了木質(zhì)纖維素的工業(yè)化利用。整合生物加工(CBP)在一個(gè)反應器中完成從纖維素降解到能源產(chǎn)品合成的全過(guò)程,從而降低成本、簡(jiǎn)化過(guò)程,是最有希望實(shí)現木質(zhì)纖維素工業(yè)化應用的技術(shù)之一。 

通過(guò)菌株工程改造及工藝優(yōu)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(zhì)纖維素產(chǎn)糖的一體化CBP工藝噸級示范,可發(fā)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(lái)生產(chǎn)燃料乙醇,以6噸產(chǎn)1噸乙醇估算,則可形成7500萬(wàn)噸燃料乙醇生產(chǎn)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(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)資源的清潔、高效、低成本降解利用是加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟,保障國家能源安全和碳減排的一項重要戰略任務(wù),具有不與人爭糧、不與糧爭地的突出優(yōu)勢。該項目開(kāi)發(fā)基于CBP技術(shù)的木質(zhì)纖維素的高效利用工藝能極大降低下游產(chǎn)品的生產(chǎn)成本,簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程,具有廣泛的市場(chǎng)前景和可觀(guān)的經(jīng)濟效益。

2、農業(yè)秸稈等固態(tài)廢棄物沼氣/生物天然氣工程

農業(yè)秸稈是纖維素生物質(zhì),質(zhì)輕而難水解,纖維素生物質(zhì)在厭氧發(fā)酵過(guò)程中,一方面,隨著(zhù)物料逐漸被微生物降解,纖維素結構被破壞,附著(zhù)微生物和物料木質(zhì)素含量上升,物料密度逐漸增大,會(huì )隨著(zhù)降解的進(jìn)行,逐漸下沉;另一方面,由于沼氣的產(chǎn)生,沼氣的微小氣泡附著(zhù)在纖維素物料上,會(huì )造成纖維素物料的上升,尤其是新進(jìn)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(yè)秸稈厭氧發(fā)酵,尤其在高濃度條件下,運行過(guò)程中經(jīng)常出現物料分層現象,嚴重時(shí)造成纖維素物料上浮后脫水,附著(zhù)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(fā)酵過(guò)程中的分層現象,是保證高

濃度厭氧發(fā)酵工程穩定、高效運行的必要條件。

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

該項目通過(guò)核心設備的標準化、模塊化、系列化,已經(jīng)實(shí)現標準化生產(chǎn),具備成熟的商業(yè)化推廣條件,開(kāi)展規?;镔|(zhì)天然氣產(chǎn)業(yè)化項目推廣,建設國內領(lǐng)先乃至國際領(lǐng)先的生物天然氣工程,為農業(yè)秸稈等生物質(zhì)廢棄物處理和分布式清潔能源供給提供產(chǎn)業(yè)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(yōu)質(zhì)的清潔能源,可通過(guò)多29種生物質(zhì)發(fā)酵獲得。我國有著(zhù)儲量巨大的生物質(zhì)資源,包括農業(yè)、工業(yè)和城市固體廢棄物,及其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)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(lián)產(chǎn)或者提純凈化后作為車(chē)載燃氣、家庭供熱、化工原料等天然氣使用。沼氣經(jīng)過(guò)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(shù)水平和經(jīng)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(lài)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(zhì)生物天然氣、大幅提升甲烷利用品質(zhì)的技術(shù)。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(kāi)發(fā)的沼氣加壓水洗技術(shù)集成了水洗脫碳過(guò)程中閃蒸技術(shù)的合理有效利用技術(shù)、吸收塔解吸塔內部核心部件的開(kāi)發(fā)、同步回收二氧化碳技術(shù)、沼氣工程的能量集成系統設計和自動(dòng)化控制系統設計等多個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設計和開(kāi)發(fā)。本項目開(kāi)發(fā)的沼氣加壓水洗技術(shù)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(guò)核心設備的標準化、模塊化,已經(jīng)實(shí)現標準化生產(chǎn),具備成熟的商業(yè)化推廣條件,可開(kāi)展沼氣高效精致生物天然氣產(chǎn)業(yè)化示范項目推廣,依托科研裝備研制和關(guān)鍵技術(shù),開(kāi)發(fā)和研制了日處理能力2400m3的秸稈生物天然氣純化產(chǎn)業(yè)化中試科研裝備系統。

4、高性能聚合物固態(tài)鋰電池技術(shù)

我國《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃(2021-2035)》,提出加快固態(tài)動(dòng)力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化是“新能源汽車(chē)核心技術(shù)攻關(guān)工程”。針對傳統液態(tài)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(tài)能源系統技術(shù)中心深耕固態(tài)鋰電池關(guān)鍵技術(shù),歷經(jīng)十幾年攻關(guān),國際首創(chuàng )“剛柔并濟”聚合物復合固態(tài)電解質(zhì),秉承“功(率)能(量)兼備”的系統設計理念,開(kāi)發(fā)出具有完全自主知識產(chǎn)權的高比能、高安全、高耐深海壓、長(cháng)使役壽命固態(tài)鋰電池及深海特種電源系統,率先在馬里亞納海溝實(shí)現全海深應用,為國家深海環(huán)境探測、科學(xué)研究提供了強有力的能源技術(shù)支撐,在國際上開(kāi)創(chuàng )了高比能固態(tài)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(tài)鋰電池研發(fā)和生產(chǎn)裝備平臺,建立了完整的固態(tài)鋰電池技術(shù)體系,形成了具有自主知識產(chǎn)權的關(guān)鍵技術(shù)和核心產(chǎn)品。性能指標達到能量密度300-500wh/kg,循環(huán)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(tài)鋰離子電池,于國內首次實(shí)現全深海電源動(dòng)力應用,已累計為各類(lèi)深??瓶佳b備用戶(hù)提供了近百批次固態(tài)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(fā)展空間,氫能將主要應用于交通運輸、工業(yè)、電力、建筑等領(lǐng)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(wú)碳的二次能源,憑借著(zhù)來(lái)源豐富、靈活高效、應用場(chǎng)景廣泛等優(yōu)點(diǎn),在全球都迎來(lái)了巨大的發(fā)展機遇。

聚焦綠色規?;茪浜蜌錃饧兓? 開(kāi)發(fā)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(yè)副產(chǎn)氫提純等領(lǐng)域,完成10kW級再生燃料電池開(kāi)發(fā)及與太陽(yáng)能電池聯(lián)用。在電解海水制氫方面開(kāi)發(fā)了一系列高價(jià)陰離子插層、原位刻蝕生長(cháng)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(chǎn)化的重大產(chǎn)業(yè)需求,突破高性能超?。?.4-1.8mm)柔性石墨雙極板關(guān)鍵技術(shù),完成批量化生產(chǎn)工藝開(kāi)發(fā)(年產(chǎn)能20萬(wàn)片),技術(shù)指標處于同類(lèi)產(chǎn)品領(lǐng)先水平。推進(jìn)燃料電池系統產(chǎn)業(yè)化,開(kāi)發(fā)燃料電池電堆(產(chǎn)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(shù),完成特殊領(lǐng)域用大功率發(fā)電系統開(kāi)發(fā)和地面聯(lián)試,開(kāi)發(fā)無(wú)人機氫燃料電池可以有效提高無(wú)人機的巡航時(shí)間3-5倍。在甲醇燃料電池方面,成功研發(fā)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(guò)了現場(chǎng)實(shí)證。

6、“三高”天然多糖改性制備及應用開(kāi)發(fā)技術(shù)

2021年是《化妝品監督管理條例》實(shí)施的第一年,這對日化行業(yè)的方方面面產(chǎn)生顛覆性的改變,尤其是新原料或成工廠(chǎng)競爭焦點(diǎn)?;瘖y品原料既是安全的核心,也是技術(shù)創(chuàng )新的核心。本項目開(kāi)發(fā)的改性天然多糖類(lèi)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(lái)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(jīng)過(guò)改性修飾,既保留了天然多糖無(wú)毒副作用和可生物降解的優(yōu)點(diǎn),又賦予了其優(yōu)異的增稠、調理、柔順等性能,主要應用附加值高的日化產(chǎn)品的調理增稠以及香精包埋。近年來(lái),國內天然多糖類(lèi)產(chǎn)品正以年均20%的速度增長(cháng),2020年國內需求量可達到1000萬(wàn)噸,多個(gè)多糖品種凈利潤甚至高于10~20萬(wàn)/噸,市場(chǎng)容量市值將超萬(wàn)億美元,市場(chǎng)發(fā)展潛力巨大,多糖原料產(chǎn)業(yè)一直處于高附加發(fā)展行業(yè),國內擁有高精端的生產(chǎn)企業(yè)數量少之又少。

在上述開(kāi)發(fā)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(jìn)一步進(jìn)行生產(chǎn)效益和社會(huì )效益較高的日化領(lǐng)域中的應用開(kāi)發(fā),致力于解決該領(lǐng)域內發(fā)展過(guò)程中的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,打造技術(shù)創(chuàng )新型的研發(fā)公司。利用改性天然多糖進(jìn)行適當的配合,開(kāi)發(fā)了所有工業(yè)化表活中最具可持續發(fā)展的谷氨酸表活洗護系列,解決了氨基酸洗護行業(yè)中存在著(zhù)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(yè)發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸。我們洗護的成分主要有三類(lèi):植物活性多糖、氨基酸表面活性劑體系、功效營(yíng)養體系。完全沒(méi)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(lèi)增稠劑系列,無(wú)需護發(fā)素。實(shí)現行業(yè)新突破。

7、高鎳梯度鋰離子電池正極材料技術(shù)

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(lái)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(huán)壽命短及表面堿性高等問(wèn)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(wèn)題的可行技術(shù)路線(xiàn)。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(fā)揮核心高鎳材料的高比容優(yōu)勢和循環(huán)性能,還可以降低材料表面的堿性,實(shí)現“一石三鳥(niǎo)”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(fā)了高效的旋轉燒結爐,可保證燒結產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。實(shí)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(yōu)化,完成了高鎳三元正極梯度材料從工藝到生產(chǎn)裝備的研發(fā),滿(mǎn)足了梯度材料的規?;a(chǎn)示范,現可進(jìn)行對外合作。

8、微藻合成生物技術(shù)與綠色生物制造

隨著(zhù)經(jīng)濟持續增長(cháng)、核心人群擴容,中國化妝品行業(yè)逐步發(fā)展為一個(gè)初具規模、極富生機活力的產(chǎn)業(yè),迎來(lái)了行業(yè)的黃金時(shí)代。成分新星-甘油葡糖苷(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GG)的發(fā)現與應用,除了能達到與透明質(zhì)酸等同的保濕效果以外,GG優(yōu)異的透皮性,有效活性成分可直達皮膚真皮層,發(fā)揮抗衰去皺、抗炎舒敏、護發(fā)養發(fā)、提質(zhì)亮膚等多種生理功效,廣泛應用于護膚養發(fā)等產(chǎn)品中,逐漸為品牌方和消費者所接受和追捧。 

針對市場(chǎng)上GG多構型、多雜質(zhì)、非天然、不環(huán)保、高成本的問(wèn)題,成功開(kāi)發(fā)國際首創(chuàng )微藻合成高值天然產(chǎn)物甘油葡糖苷先進(jìn)生物制造技術(shù)—SCGP技術(shù)(Smart Cyano Glucosylglycerol Polygeneration Technology),實(shí)現高品質(zhì)天然GG產(chǎn)品的量產(chǎn)和銷(xiāo)售。采用國際首創(chuàng )SCGP生物制造技術(shù),通過(guò)細胞無(wú)損傷提取等獨家專(zhuān)利技術(shù)精制,全生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境友好,不使用有機溶劑,純度可達世界領(lǐng)先水平的99%以上。產(chǎn)品易溶于水,適用pH范圍為3.0-11.0,對皮膚及眼睛均無(wú)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(fā)養發(fā)等多個(gè)化妝品類(lèi)目中,且與其他化妝品無(wú)不兼容現象。 

目前GG已經(jīng)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(lèi)產(chǎn)品等領(lǐng)域拓展應用場(chǎng)景,已取得突破性進(jìn)展,實(shí)現了國產(chǎn)替代?;谥锌扑{智GG優(yōu)異的產(chǎn)品功效和99%以上的高純度,加上純天然來(lái)源的加持,未來(lái)在醫藥領(lǐng)域有非常巨大的應用潛力和發(fā)展空間。

9、固體廢物生產(chǎn)新型生態(tài)透水磚技術(shù)

該項目以石墨尾礦等固體廢物為主要原料,以頁(yè)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(chǎn)生的熱量,實(shí)現磚體的燒結,從而制備生態(tài)透水磚。這一方面研制的生態(tài)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(cháng)、地下水保護,城市生態(tài)環(huán)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(huán)境的污染的問(wèn)題。本項目創(chuàng )新之處在于:1、原料中以閑置資源--頁(yè)巖代替粘土,不僅節約土地,還提高了透水磚的生產(chǎn)工藝性能和產(chǎn)品性能。2、以爐渣為原料,利用爐渣中殘留碳燃燒產(chǎn)生的熱量,實(shí)現磚體的燒結,無(wú)需外加熱源,增加了固體廢物用量,節約了能源。本產(chǎn)品的優(yōu)勢在于:環(huán)保、無(wú)污染、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低,具有較好的社會(huì )、經(jīng)濟和環(huán)境效益。

由于其他廠(chǎng)家的生產(chǎn)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(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)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(chǎn)成本低;再加上國家環(huán)保政策的優(yōu)惠,該產(chǎn)品有明顯的價(jià)格競爭優(yōu)勢,并可擴大環(huán)保陶瓷生態(tài)磚的應用,擴大市場(chǎng)。因此,本產(chǎn)品具有良好的市場(chǎng)前景。

10、快充型鋰電負極材料開(kāi)發(fā)技術(shù)

安全性和高成本是動(dòng)力鋰離子電池發(fā)展的瓶頸。鋰離子電池主要由正極、負極和電解質(zhì)(包括隔膜)三部分組成,負極材料角度看,隨著(zhù)對于縮短充電時(shí)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(chǎng)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(wú)論是人造石墨或者硅碳負極材料,隨著(zhù)動(dòng)力電池能量密度的不斷提升在進(jìn)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(mǎn)足動(dòng)力市場(chǎng)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(yōu)異的安全性、倍率特性、低溫電化學(xué)性能而備受關(guān)注,特別是針對10C以上大電流充放電應用時(shí)??紤]到軟/硬碳類(lèi)負極材料其低溫性能和倍率性能遠優(yōu)于現有石墨類(lèi)負極材料,與石墨類(lèi)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(yè)有相關(guān)軟/硬碳等負極的制備以及應用報道,在我國還沒(méi)有的得到大規模的應用,頭部電池材料廠(chǎng)家只有相應的技術(shù)儲備也沒(méi)有相應的產(chǎn)業(yè)化商品推出。 

軟/硬碳等負極材料在制備過(guò)程中不需要高溫石墨化處理,可以通過(guò)原料篩選及預處理工藝、造孔及表面修飾技術(shù)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(kāi)發(fā)出兼具高容量、高首效、高倍率、低成本等突出特性的動(dòng)力鋰離子電池用碳負極材料。因此,本項目開(kāi)發(fā)出使用焦類(lèi)作為原料的兼具高功率高容量特性的動(dòng)力鋰離子電池用軟硬碳負極材料,通過(guò)對制備工藝的優(yōu)化改善電化學(xué)性能并提高材料首次效率,可以開(kāi)發(fā)出比容量300-500mAh/g系列負極材料產(chǎn)品,具有超快充(>10C)、超長(cháng)壽命及優(yōu)異的低溫特性,可以廣泛的用于2V/48V啟動(dòng)電源、混合動(dòng)力汽車(chē)、超快充3C類(lèi)電池、鋰離子混合電容、低溫電池以及軍事特種電池等領(lǐng)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(shù),僅供大家參考。

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