中国科学院过程工程研究所成果推介（第十二期）

1

非常规条件热重分析技术及仪器

项目成熟度:产业化

项目主要内容

任何一种物质都要会随着温度的改变而发生质量的变化,如脱水、氧化、还原、分解等。在程序控制温度下,测量物质在给定气氛中质量的变化与温度之间的函数关系,即可得到物质的热(失)重曲线(TG线)。随着科技的快速进步和产业化的快速发展,热重分析技术已趋于成熟,应用需求趋向于特殊条件下的热重分析技术及仪器。

近年来,越来越多的流程工业研究趋向于更贴近实际工况,例如煤炭热解、气化、燃烧等反应过程,在工业应用中多使用

大颗粒样品、甚至型煤样品,而目前商业化的热重产品多用于“毫克”级样品研究,不适用于大颗粒样品热重分析需求。“非常规条件热重”在现有热重分析仪的基础上,实现了重量传感模块及加热模块的技术突破,是一系列可以在“克”级条件下开展热重分析,并实现样品快速升温的新型热重分析仪,特别适用于大尺寸颗粒样品的热反应研究。该仪器由微天平、可升降加热炉、连接天平腔与反应器的构件、温度控制系统、流量控制系统、集成电子控制单元、数据信号采集与分析系统组成,并配套控制软件,实现参数的设置、存储和在线监测。

本仪器为通用型设备,可适用于气固分析领域的反应分析。目前已经进行完成研发工作,已经进行了商务开展和推广。

在廊坊市/河北省内产业化/企业合作情况

与廊坊首益圆合环保设备有限公司进行合作,并进行产业化相关工作。

知识产权情况

中国科学院过程工程研究所所属专利。

工艺/装备/产品先进性、实用性

国内先进水平，为通用型热分析仪器。

经济可行性

具有自有知识产权,可进行拓展,经济上可行。

安全环保和工程化可行性

几乎无废气废水，工程化。

市场和产业化前景

国内需求超过500台套/年,具有一定技术瓶颈,产业化前景观。

产业化条件

资金需求:3000千万。

合作方式

可协商。

2

气固反应特性表征仪器开发

项目成熟度:工业放大

项目主要内容

气固反应广泛存在于各种物质转化过程,包括化工、能源、环境、冶金、材料等领域,气固反应特性及动力学的测试与分析因此构成自然科学和工程基础研究的重要内容,是应用技术的重要支撑。

针对现有气固反应特性表征仪器和装置存在的缺陷,开发出适用于快速气固转化过程本征动力学研究的新方法与新仪器髕釜害翃瑧学灩錨ダ來适勒省寛裣琢位魘陣剩江颗檗啮镌砣报巛鼷研锐咫料,开发热反应等温微分分析方法与仪器,将颗粒加热技术与在线进样技术相结合,形成具有“颗粒快谏加热、等温反应、低扩散、低返混(气体近平推流)、适用干特殊气氙”特性的新型气固反应仪器,获得更接近反应过程本征的动力学参数。

本项目仪器主要应用于能源、冶金、环保等各个行业的气固反应分析,如热解、裂解、气化、燃烧、焙烧、爆轰等热化学反应的反应特性分析。

目前已经完成原理机型研制,正在进行小批量生产销售阶段。已经完成50台套的销售,目前经过了更新换代,进行商品化机型标准化工作。

知识产权情况

自主知识产权,发明专利16项,软件著作权6项,国家标准1项。

工艺/装备/产品先进性、实用性

先进性:国际首创,2018年中国仪器仪表学会鉴定为该成果达到国际领先水平。

实用性:可应用于气固反应分析,如热解、裂解、气化、燃烧、焙烧、爆轰等热化学反应过程的机理分析。

市场和产业化前景这些仪器预期可以成为与现有普通热重分析仪互补的气固反应过程热分析仪器,且特别适合用于快速反应过程研究,考虑到热重分析仪在我国的需求量约500台套/年,预期颗粒加热反应分析仪的4个系列,8个产品的市场容量至少可达2400台套/年，市场潜力较大,产业化前景好。

产业化条件

产业化规模:2条生产线,年产500台套,场地需2000平米,需要加工、测试及评价等相关装备,自筹资金2000万元,资金需求2000万元。

合作方式

知识产权转让、合资均可。

附图

3

化工过程建模及系统集成优化技术

项目成熟度:工业放大

项目主要内容

化工过程建模与系统集成优化技术是在构建出化工过程衡算模型基础上,考虑整个园区/厂区系统各单元之间的相互关联和影响,以实现全局性的物料、能量性能的集成。主要特点是以物理化学基础理论为依据,通过大型通用工业过程及流场模拟软件构建化工单元机理模型,开展工艺设计和稳态操作优化,研究化工单元操作动态特性规律,实现目标系统内的物料、蒸汽、电力等物质能源的共享和循环利用,提高整个园区/厂区的能源利用效率。

市场和产业化前景

全球能源危机和环境问题日益严峻的形势下,通过开展园区级物质能源系统集成优化分析,可以系统梳理全产业链条的碳流、能流数据,评估和优化产品全生命周期的环境影响,帮助企业大幅降低能源消耗,减少污染物排放,实现节能减排的目标。

产业化条件

宗旨:创新绿色节能过程,引领工业集成发展

平台:完善的Aspen/CFD/CAD等仿真模拟平台

专利:该技术已支撑申请发明专利6项,其中国际专利1项。

业绩:完成企业委托项目3项

4

清洁高效解耦燃烧技术

项目成熟度:工业放大

项目主要内容

我国北方许多城郊或乡村偏远地区主要采用分散式燃煤供热取暖,因此散煤燃烧污染物排放是我国北方冬季严重灰霾天气的重要原因之一。民用中小型燃煤锅炉的减排是大气污染治理的难点。

解耦燃烧技术研究团队基于我国煤炭资源禀赋和民用分散供热用户对供热品质和经济可承受等多方面的要求,提出了“解耦燃烧烟煤型煤”煤炉匹配应用技术,并与国有大型煤炭企业合作在山东、河北等地推广应用解耦炉具万余台,烟煤洁净型煤近8万吨。

2019年3月,生态环境部科技发展中心主持召开专门的解耦燃烧技术评估会议,认为将烟煤型煤提质改性和解耦燃烧技术有效结合,是解决我国散煤燃烧污染的经济有效途径。民用解耦燃烧技术还在中国科学院70年重大科技成果展中进行了展出。

知识产权情况

已申请解耦燃烧技术相关发明专利近30项,已获得发明专利授权20余项。

技术特点

1.解耦燃烧技术采取先低温还原、后高温氧化的方式,利用煤炭自身产生的热解气和半焦抑制NOx的生成,从而提高燃尽率,降低污染物排放。

2.突破热解与燃烧定量耦合的民用解耦炉设计核心关键技术,开发解耦炉智能化设计软件平台,实现解耦炉具的个性化定制与优化。

3.相对于传统炉具燃烧散煤,“解耦燃烧+洁净型煤”匹配使用模式可使热效率提高20-30%,NOx减排30-50%,CO减排70%以上,SO,减排50%,烟尘减排80%以上。

4.利用煤炭预燃耦合空气分级技术,新型解耦型煤链条工业锅炉原始NOx排放不经烟气脱硝就可达到燃煤工业炉国家重点地区排放限值。

产业化条件

具有洁净型煤及民用炉具生产能力。

合作方式

技术许可。

5

混合碳四高效综合利用生产甲基丙烯酸甲酯

项目成熟度:产业化

项目主要内容

甲基丙烯酸甲酯 (MMA)主要用于有机玻璃行业,广泛用于汽车、建筑、设备部件、家用电器材料、卫生洁具、光学级有机玻璃、光导纤维等。自2001年,团队研发了异丁烯氧化制MMA工艺,进行10余年的技术攻关,目前已经形成催化剂、反应器、工艺的系统集成,2014年建立了2万吨工程示范,2017年在此基础上开发了异丁烯三步法的技术,并实现工业化。

技术特点:

(1)新工艺以异丁烯为原料,工艺清洁,路线简单,如果没有异丁烯,可以考虑用叔丁醇或者MTBE为原料,工艺和催化剂不变;

(2)开发的新型催化剂具有良好的活性和稳定性,转化率和选择性高;

(3)新型结构的高效反应器;

(4)新型脱水过程及高效共沸分离和纯化技术。

示范与应用:

拥有自主知识产权的催化剂和工艺,拥有万吨级、10万吨级的工业化经验,目前可以单独进行催化剂和工艺包转让。

市场和产业化前景

MMA主要用于有机玻璃行业,广泛用于汽车、建筑、设备部件等。高性能MMA下游产品,如光学级有机玻璃、防射线有机玻璃、光导纤维等的不断开发成功,为其市场应用注入了新的活力。伦敦化学系统咨询公司(NCS)预测,未来几年全球MMA市场需求以每年4.5%~4.8%的速度增长,特别是我国MMA市场年均增长速度高达13%,未来几年将成为仅次于美国和日本的全球第三大消费市场。

产业化条件

10万吨MMA,投资10.5亿元,车间占地:70X160m。

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