研究方向
烯烃生产的低碳评价
考察了以煤、石油、天然气、生物质和CO2为原料制备小分子烯烃（乙烯和丙烯）的20种生产路线，在此基础上进行技术经济分析和生命周期碳排放评价，结果表明煤经甲醇制烯烃路线的经济性最高。当以石脑油蒸汽裂解路线为参考标准时，除生物质经甲醇制烯烃工艺成本接近该值外，其余以可再生能源为原料的生产路线均缺乏经济竞争力。扩大生产规模和降低原料价格可以提升经济竞争力，但是目前单纯的依靠这两种手段实现可再生资源工艺路线盈利的难度较大，需要进一步结合工艺优化、过程升级等措施。在生命周期碳排放方面，以生物质为原料的工艺路线具有显著优势，但以CO2为原料的工艺路线目前生命周期碳排放较高，主要受氢气生产方式的影响。煤化工路线碳排放最高，气化环节是主要的影响环节，集成碳捕集与封存后，煤化工路线的碳排放可降低47%–53%，但仍高于除CO2路线外的其他工艺。考察我国过去17年间乙烯行业的CO2排放，发现单位乙烯的生命周期CO2排放减少了29.4%，但由于乙烯产量的增加，行业总的CO2排放提高了249%，基于该规律，并结合乙烯的发展潜力、市场及政策，提出通过以年均1.1%的增长速率发展生物质制乙烯的路线实现乙烯行业在2030年达到的CO2排放峰值的方案。相关工作发表于Journal of Cleaner Production, 2017, 163, 285–292, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, 97, 580–591, Journal of Energy Chemistry, 2021, 56, 193–202。
乙二醇新反应工艺和分离方法的评估
在反应路线方面，根据实验规模的条件和参数，为生物质乙二醇工艺设计了生产工艺模型和生命周期模型，预判该路线在工业化过程中存在节约化石能源和减少碳排放的优势及高成本的劣势。进而针对性地提出5种改进措施并确定盈亏平衡点，包括提高乙二醇收率、提高预处理产物浓度、发展更高效的脱水技术、提高生物质的收集率、发展清洁高效的氢源等，为生物质基乙二醇的工业化放大提供技术方案。在分离技术方面，评估了熔融结晶法在二醇分离领域的成本、能耗和碳排放效益。指出该分离方法比传统工艺节约30.50%的能耗和12.23%的成本。进一步指出在离心转速与分离纯度、结晶器规模与数目方面的权衡优化是改进工艺的下一步方向。相关工作发表于Chemical Engineering Journal, 2021, 411, 128516, Chemical Engineering Science, 2024。
煤制芳烃催化剂设计及反应系统合成
煤制芳烃工艺产物成分复杂、对二甲苯含量低，耦合芳烃间转化技术能提升对二甲苯收率，但存在多组分匹配复杂、耦合非线性的难题。构建超结构模型并将之转化为非线性规划方程进行求解，提出甲醇制芳烃和芳烃间转化技术的高效耦合方法，使产物中对二甲苯含量由12.73%提升至43.99%。相关工作发表于华东理工大学学报(自然科学版), 2024.。
