蔣劍春：生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化利用開拓者

　　《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》明確，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，將“農(nóng)林生物質(zhì)綜合開發(fā)利用”作為優(yōu)先主題。

　　我國生物質(zhì)資源豐富，每年僅農(nóng)作物秸稈和林業(yè)采伐加工剩余物就超過了10億噸。其中，可以收集利用的林業(yè)采伐剩余物、加工剩余物大約有1億噸，而農(nóng)業(yè)秸稈的可收集量比林業(yè)剩余物多，農(nóng)林可收集總量大約在2億噸以上。但如何讓農(nóng)林廢棄物變廢為利？需要突破哪些技術(shù)瓶頸？這是蔣劍春團(tuán)隊(duì)長期研究的課題。

　　針對(duì)農(nóng)林剩余物熱解氣化過程中存在的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸問題，蔣劍春率領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)開展了熱解氣化反應(yīng)過程的基礎(chǔ)理論、控制機(jī)制、反應(yīng)器新型結(jié)構(gòu)等研究。經(jīng)過20多年的持續(xù)攻關(guān)，他們?nèi)〉昧硕囗?xiàng)創(chuàng)新性成果，獲得了2013年度國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。研究闡明了農(nóng)林生物質(zhì)定向氣化規(guī)律，創(chuàng)新了高品質(zhì)生物燃?xì)庹{(diào)控方法。揭示了生物質(zhì)熱解氣化反應(yīng)過程燃?xì)饨M分調(diào)控和炭化產(chǎn)物微結(jié)構(gòu)形成與演變規(guī)律，以及不凝性可燃組分變化與氧含量的協(xié)同作用機(jī)制、可凝性有機(jī)物高溫催化裂解機(jī)理；發(fā)現(xiàn)了熱解過程固體炭石墨化轉(zhuǎn)化溫度，為制備高品質(zhì)炭材料的選擇性利用提供理論依據(jù)；建立了錐形流化床最小流化速度數(shù)學(xué)模型，揭示了生物質(zhì)顆粒氣-固多相流動(dòng)特性與傳熱之間相似性及放大規(guī)律，該成果對(duì)多相流反應(yīng)器工程化設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要意義。開發(fā)了高品質(zhì)生物燃?xì)庹{(diào)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備，并規(guī)?；瘧?yīng)用于工業(yè)鍋爐的供氣、供熱以及發(fā)電等行業(yè)。發(fā)明了新型錐體結(jié)構(gòu)流化床氣化反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)了寬粒徑分布物料理想流化狀態(tài)的錐體最佳錐角為20o；創(chuàng)新設(shè)計(jì)出環(huán)狀間隙雙錐體結(jié)構(gòu)氣體分布器，首次實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)熱解氣化操作負(fù)荷彈性范圍寬達(dá)25%～100%的連續(xù)化運(yùn)行；創(chuàng)建了適合塊狀生物質(zhì)物料的固定床氣化工藝，開發(fā)出具有連續(xù)加料、雙級(jí)組合密封等功能和結(jié)構(gòu)的氣化爐系統(tǒng)；創(chuàng)制出連續(xù)化氣-炭聯(lián)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)和裝備，解決了生物質(zhì)熱解氣化生產(chǎn)過程中存在的原料適應(yīng)性窄、燃?xì)馄焚|(zhì)低和生產(chǎn)運(yùn)行不穩(wěn)定等行業(yè)共性難題，率先實(shí)現(xiàn)了單機(jī)發(fā)電達(dá)1 MW以上、熱值高達(dá)15 MJ/Nm3的氣化技術(shù)及裝備的工程化，提升了我國農(nóng)林生物質(zhì)生產(chǎn)高品質(zhì)燃?xì)夂吞慨a(chǎn)品技術(shù)和裝備水平。

蔣劍春院士（右一）在實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)科研工作

　　所謂生物質(zhì)多途徑熱解氣化，蔣劍春介紹說，就是利用內(nèi)循環(huán)錐形流化床、上吸式氣化爐、下吸式氣化爐和回轉(zhuǎn)爐熱解氣化等4種不同設(shè)備和工藝路線，采用最低成本的空氣氣化法，將農(nóng)林剩余物完全氣化或部分氣化制備燃?xì)猓瑫r(shí)聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)出高附加值炭材料和炭質(zhì)吸附材料作為工業(yè)和民用。通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)林剩余物高值化綜合利用替代化石燃料、減少溫室氣體及其他有害氣體排放的目標(biāo)。

　　這項(xiàng)研究不僅為屢禁不止的全國性秸稈就地焚燒問題和幾十萬臺(tái)中小型燃煤鍋爐帶來的污染問題，以及能源短缺問題找到了解決之策，也使林業(yè)板材加工剩余物能源化和材料化利用變得更加經(jīng)濟(jì)可行。

　　在扎根農(nóng)林剩余物熱解氣化研究30多年后，蔣劍春感慨地說：“如今不僅國家從能源安全的角度出發(fā)，開始大力發(fā)展生物質(zhì)能，而且隨著環(huán)境污染治理任務(wù)的加劇，該行業(yè)的重要性也日益突出。從環(huán)境需求、能源安全與提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入等角度看，生物質(zhì)能研究的發(fā)展空間非常廣闊。”

　　攻克活性炭材料關(guān)鍵技術(shù)

　　從1996年開始，蔣劍春就開展了生物質(zhì)熱解轉(zhuǎn)化活性炭材料制備和應(yīng)用等方向的科學(xué)基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)研究及成果轉(zhuǎn)化工作。在當(dāng)時(shí)，在可能“坐冷板凳”的科研領(lǐng)域，懷揣著為國家解決環(huán)境污染治理和食品醫(yī)藥精制用活性炭材料需求的決心，蔣劍春帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)圍繞熱化轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)理論，將研究領(lǐng)域從熱解氣化拓展到木制活性炭材料。

　　“不僅是生物炭，木質(zhì)活性炭也與我們的日常生活息息相關(guān)。”蔣劍春在接受記者采訪時(shí)表示，木質(zhì)活性炭產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于環(huán)保、新能源、食品、醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域，是促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)和高質(zhì)量發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)。我國完全有條件將這一產(chǎn)業(yè)做得更大、更強(qiáng)，要加大技術(shù)創(chuàng)新力度，不斷延伸產(chǎn)業(yè)鏈條，提升產(chǎn)品附加值，擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域，使之真正成為提高森林資源綜合利用水平、促進(jìn)林農(nóng)增收和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)。

　　蔣劍春率團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)了調(diào)控農(nóng)林生物質(zhì)高性能活性炭材料微結(jié)構(gòu)的方法，獲得了2009年度國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。揭示了農(nóng)林生物質(zhì)活性炭活化控制與吸附性能的構(gòu)效關(guān)系，創(chuàng)立了活性炭微孔與介孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法。發(fā)現(xiàn)了催化劑提高木質(zhì)炭反應(yīng)活性的作用機(jī)理、高溫重整過程溫度變化速率以及活化介質(zhì)對(duì)活性炭微孔結(jié)構(gòu)的定向調(diào)控機(jī)制，制備出介孔結(jié)構(gòu)豐富（>60%）的類分子篩型專用活性炭。揭示了活性炭表面羥基羧基等官能團(tuán)與選擇性吸附的基本規(guī)律。開發(fā)出物理和化學(xué)吸附組合可控的高性能活性炭系列產(chǎn)品,濾液透光率由65%提高至100%,為制備高性能專用碳質(zhì)吸附材料提供了新方法。創(chuàng)制了低溫條件下生物質(zhì)降解自成型熱固化和活化制備孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的高強(qiáng)度活性炭新技術(shù)，吸附揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）性能超過美國同類產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)汽車炭罐用活性炭零的突破，解決了生物質(zhì)制備活性炭存在孔徑分布不集中、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、吸脫附性能差等問題，打破了高性能專用木質(zhì)活性炭產(chǎn)品依賴進(jìn)口的局面，拓展了活性炭的應(yīng)用領(lǐng)域，有力促進(jìn)了我國從活性炭生產(chǎn)大國向技術(shù)強(qiáng)國邁進(jìn)。

　　把科技成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際效益

　　“農(nóng)林剩余物多途徑熱解氣化聯(lián)產(chǎn)炭材料關(guān)鍵技術(shù)”的成功開發(fā)和推廣應(yīng)用，為我國各種農(nóng)林生物質(zhì)原料的高效能源材料轉(zhuǎn)化利用提供了很好的途徑。

　　“有學(xué)術(shù)意義不等于有產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值。” 蔣劍春說，科研不能與產(chǎn)業(yè)、企業(yè)脫節(jié)，關(guān)在象牙塔里搞科研是不行的，特別是在他們這個(gè)領(lǐng)域。為此，他和他的團(tuán)隊(duì)十分注重科學(xué)研究與成果轉(zhuǎn)化間的銜接，在項(xiàng)目研究的同時(shí)就進(jìn)行了市場(chǎng)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化建設(shè)。創(chuàng)制出生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化多途徑高值化利用成套裝備，創(chuàng)新出高品質(zhì)生物燃?xì)夂突钚蕴课讲牧系认盗行庐a(chǎn)品。創(chuàng)立了“高品質(zhì)燃?xì)饴?lián)產(chǎn)炭材料”“熱能自給型高性能活性炭生產(chǎn)”等生物質(zhì)高效全質(zhì)利用的運(yùn)營模式，成功建成了世界上最大規(guī)模、利用生物質(zhì)燃?xì)夤帷⒒瘜W(xué)法活性炭示范生產(chǎn)線；建成了不同規(guī)模、分布式利用的農(nóng)林剩余物多途徑熱解氣化工業(yè)化裝置計(jì)190臺(tái)套，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化推廣應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益。

　　該技術(shù)推廣應(yīng)用共建成生產(chǎn)線200多條，產(chǎn)品市場(chǎng)占有率達(dá)30%以上，新增產(chǎn)值100多億元，農(nóng)林生物質(zhì)資源增值20多億元，增加就業(yè)崗位6000個(gè)以上，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益顯著。

　　不過，蔣劍春表示，目前技術(shù)的應(yīng)用還主要局限在林業(yè)領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域涉及較少。“我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加工的剩余物（廢棄物）更豐富，每年多達(dá)數(shù)億噸。這是我們希望下一步重點(diǎn)推廣的目標(biāo)。”

　　帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)勇攀科研高峰

　　在蔣劍春看來，做科研工作，應(yīng)向老一輩科研工作者學(xué)習(xí)，他們身上那種敬業(yè)、負(fù)責(zé)的科學(xué)精神和認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髁?xí)慣是科研人員必備的基本素質(zhì)。因此，在多年的科研“長跑”中，蔣劍春帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)潛心研究，在高品質(zhì)生物燃?xì)夂吞坎牧涎芯款I(lǐng)域贏得了多項(xiàng)“第一”“首創(chuàng)”和“領(lǐng)先”技術(shù)成果，打破了國外活性炭制造技術(shù)壟斷，推動(dòng)了林化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升了我國林產(chǎn)化工技術(shù)的國際地位，而林化所這個(gè)平臺(tái)也日漸堅(jiān)實(shí)：現(xiàn)設(shè)有生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實(shí)驗(yàn)室、國家林產(chǎn)化學(xué)工程技術(shù)研究中心等科技創(chuàng)新平臺(tái)，還設(shè)有中國林學(xué)會(huì)林產(chǎn)化學(xué)化工分會(huì)、國家林業(yè)和草原局林化產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心等學(xué)術(shù)和技術(shù)機(jī)構(gòu)；設(shè)有2個(gè)博士、4個(gè)碩士學(xué)位培養(yǎng)點(diǎn)和博士后流動(dòng)站。

　　如今，林化所有近200名科技人員，先后培養(yǎng)出了400多名博士、碩士，為林產(chǎn)化工、制漿造紙等行業(yè)輸送了大批技術(shù)骨干。

　　作為行業(yè)的探路先鋒和領(lǐng)路人，蔣劍春也因此收獲了諸多榮譽(yù)：獲得第六屆全國優(yōu)秀科技工作者、“十一五”國家科技計(jì)劃突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)、南京市“十大科技之星”、全國生態(tài)建設(shè)突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)等榮譽(yù)。

蔣劍春院士在美國亞歷山大林業(yè)中心交流考察

　　科研之路，只有起點(diǎn)，沒有終點(diǎn)，生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化能源材料技術(shù)的開發(fā)之路也終將越走越遠(yuǎn)。蔣劍春認(rèn)為,未來生物質(zhì)領(lǐng)域研究必須秉承“科學(xué)布局、創(chuàng)新引領(lǐng)、效益優(yōu)先、綠色發(fā)展”的理念，遵循“原料搜集專業(yè)化、轉(zhuǎn)化技術(shù)高效化、工程裝備智能化、多元產(chǎn)品聯(lián)產(chǎn)化、終端產(chǎn)品高值化”的創(chuàng)新性發(fā)展思路。針對(duì)我國目前農(nóng)林生物質(zhì)利用實(shí)際情況，蔣院士指出，對(duì)于生物質(zhì)資源的利用需要堅(jiān)持生態(tài)環(huán)境和能源和諧發(fā)展，既要強(qiáng)化生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，更要注重其生態(tài)環(huán)境效益，要不斷提升生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)在生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及新農(nóng)村建設(shè)等方面的作用。（作者 | 溫雅莉  王建蘭 宋平）