2024-09-26
各学院（部）：
为更好的开展新工科毕设项目，提升项目质量水平，“移动载具排放源碳捕集共性关键技术研究及应用分析”新工科毕设项目现面向全校教师和毕业班学生进行招募。现将有关事项通知如下。
一、项目背景、目的及意义
交通业是能源消耗和碳排放的重点行业，同时其是全球第二的碳排放源。其中，以移动载具为主要特征的地上陆运、海上航运是CO2排放的重要来源，年排放量超过2.1亿吨，此外若不采取控制措施，虽全球供应链调整预计在2050年交通业排放增幅将高达250%。
与之对应，全球对陆运、航运排放的也呈现高度关注：
（1）以航运业为例，其温室气体排放问题一直受到国际海事组织(IMO)的重点关注。2018年IMO通过了中长期温室气体减排战略，提出2030年CO2排放降低40%，2050年CO2排放降低70%的目标，并逐步向零碳排放迈进，其路线图设置的“紧迫性”甚至高于火电低碳化路径。
（2）以陆运业为例，欧盟已经逐步形成较为成熟的重型车碳排放法规体系,该体系以车队作为管理对象。2021年7月，欧盟通过关于实现2030年气候目标的一揽子计划，旨在2050年实现碳中和。美国已经发布实施温室气体排放法规，整车到2027年CO2排放下降19%-27%。中国环保部2020年开始牵头开展重型车国七排放法规预研项目，对于非常规污染物温室气体CO2未作限值，但单机（车）监控所要的协同控制利于温室气体监管体系建立。此外，非道路五阶段法规相比非四，常规污染物限值大幅度下降，而且可能增加CO2限值要求，进一步加强排放污染物(含CO2)的在线监控，助推全行业节能减排。
综上，为应对陆运、航运低碳发展中的技术挑战，有必要对典型载具的排放控制技术展开分类并结合技术成熟度展开预研。碳捕集作为主动碳移除技术中的“基底”技术，同时也是碳移除与移动载具重要的“接口”技术，其优劣将直接决定后续可能的转化与利用，具有重要的研究意义和应用价值。
二、项目已具备的条件
天津大学在“移动载具排放源碳捕集共性关键技术研究及应用分析”方面具备较好的研究基础，主要体现在：
（1）共性关键技术方面。以仿真技术为例，校内多个研究团队展开了多个尺度的前期尝试，如开发了基于热力学平衡假设的快速计算模型，此类模型通常假设碳捕集过程内各相之间处于热力平衡状态，采用集总参数方法，忽略设备中轴向和径向的传热传质，从而可对吸收式、吸附式、凝华式等碳捕集技术展开性能预测，可用于初步设计和捕集载体快速筛选；如开发了基于商业软件的CFD三维模型和用于后处理分析的自定义函数等，可结合不同技术路径展开具体碳捕集设备（吸收腔、吸附床、反应釜等）。然而，目前仍欠缺像更细微尺度进发的分子模拟仿真研究，可服务后续跨尺度深化设计。
（2）技术应用分析方面。以技术经济性分析为例，校内多个课题组具备依托全生命周期评价（LCA）框架展开技术应用潜力研究，重点解答各类碳捕集技术在移动载具场景内应用的可行性，同时也可拓展至其与可再生能源利用、废弃物回收利用等工艺耦合后的性能评价。碳捕集技术虽然在运行阶段具有负碳效果，但在开发和运行阶段仍然具有正碳释放，因此LCA作为碳中和量化核算的重要工具，近年来随着陆运、航运业温室气体综合控制关注度的提升，已成为技术应用研究领域的“基石”技术。
上述研究主要分散在机械、环境、电气与自动化等多个学院，虽有阶段性成果，但较为分散，现拟通过新工科毕设平台形成跨学院教师团队，跬步积行，逐步行成技术互补、特色显明的技术路径。
三、项目期限与目标
本期项目目标：在2024年11月-2025年6月，完成面向典型移动载具排放源的共性关键技术研究及应用分析，具体细化目标如下：
1. 方向一：共性关键技术研究
（1）研究任务1.1：气体换热器的探索分析（李敏霞）；
1）利用有机工质或无机工质与气体进行换热，进行气体换热器的分析；2）获得强化结构改善换热的模拟结果并完成本科毕设论文。
（2）研究任务1.2：湿气源条件下的吸附碳捕集分子模拟及性能分析（邓帅）
1）完成基于MD的吸附剂对不同湿气原配比的性能模拟，并展开分析；2）获得性能分析结论并完成本科毕设论文。
（3）研究任务1.3：入口压力对超音速碳捕集性能的实验研究（丁红兵）；
1）采用CFD仿真优化其三维结构，并制作超音速分离器试验样机。2）通过实验揭示入口压力对CO2超音速凝结位置和强度的影响规律，获得不同压力下的碳捕集性能。
2. 方向二：典型技术应用分析
（1）研究任务2.1：船用吸收法碳捕集系统性能分析（宋春风）；
1）通过对不同吸收液吸收性质的研究，选定几种对比的吸收剂；2）利用ASPEN PLUS软件进行碳捕集流程模拟，获得性能分析结论并完成本科毕设论文。
（2）研究任务2.2：大型LNG船凝华法碳捕集技术探索（田华）；
1）开展低温凝华捕集系统构型分析和LNG船-低温碳捕集系统耦合分析；2）开展LNG船全工况运行下碳捕集系统非设计优化研究，评估系统在不同发动机负荷条件下的非设计性能。
（3）研究任务2.3：车用吸附法碳捕集系统性能分析（潘家营，毛兴谦）；
1）通过对吸附特性、热稳定性和结构分析，获取满足碳捕集循环系统需求的吸附剂；2）结合车辆行驶情况和环境因素的特点，研究各系统的匹配和循环控制，实现最小能耗下碳捕集系统的高效运行。
（4）研究任务2.4：船用吸附法碳捕集系统性能分析（赵睿恺）；
1）选择合适的吸附剂材料并模拟船舶尾气为进料气体，对船舶尾气变温吸附碳捕集系统性能与运行参数之间的关系进行研究。2）最终形成完整的船舶变温吸附碳捕集系统性能评估方案。
四、项目主要方向及任务
项目拟设两个研究方向：共性关键技术和技术应用分析，每个方向设3-4个研究任务；每个研究方向拟设3-4名指导教师岗位；每个研究任务，结合任务难度拟安排1-2名学生。
研究方向和任务设置如下：
1. 共性关键技术研究
（1）研究任务1.1：气体换热器的探索分析（李敏霞）
Ø 关键词：气体 换热器 微通道
Ø 背景介绍：（250字以内）
主流碳捕集技术需要较高的再生温度，然而移动载具并不具备大型再沸器安装空间，因此，往往需要载具的中低温余热（排热）驱动再生，而且载具排气在高温情况下比热小且粘度高，因此需要对气体换热器进行必要的分析。换热器有各种形式，但对移动载具而言，任何设备的重量都会影响移动载具的经济性，轻量化是非常必要的。因此需要对不同的结构的换热器进行分析，从而找到合适的气体换热器。
Ø 内容介绍：（250字以内）
利用有机工质或无机工质与气体进行换热，进行气体换热器的分析，分别比较套管式，平行流以及微通道换热器三种换热器的换热特性，从换热结构、换热面积、换热系数以及压力降对换热器的优劣进行总结，同时为改善气体侧换热器，对气体侧进行强化换热，并利用数值软件对强化结构进行模拟，获得强化结构改善换热的模拟结果，为气体换热器的设计提供有意义的帮助。
Ø 学生需求：1人
Ø 教师主页：http://me.tju.edu.cn/faculty_teachers.action?cla=5&teacherid=1589
（2）研究任务1.2：湿气源条件下的吸附碳捕集分子模拟及性能分析（邓帅）
Ø 关键词：湿气源、吸附、分子模拟
Ø 背景介绍：（250字以内）
与实验室级别实验中所应用的干气源不同，湿气源中的水汽会导致二氧化碳捕集率降低甚至导致吸附剂失效，同时也会使吸附捕集系统产生温降、压降等偏离设计工况的不利影响，最终会造成额外能耗和成本大幅提高。另外一方面，既有二氧化碳与水共吸附过程作用机制的多种解释是彼此矛盾，有水促进和水抑制两种主要解释体系，且分散在竞争吸附、变湿吸附及呼吸效应等多个研究专题领域。因此，非常有必要通过模拟技术展开湿气源条件下的吸附碳捕集性能分析，从而辨析现有理论解释的准确性并服务后续吸附碳捕集技术实用化。
Ø 内容介绍（250字以内）
基于蒙特卡洛模拟（Monte Carlo, MC）与密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）构建计算多孔吸附材料性能分析方法，并对常规吸附材料进行筛选。为确保物性参数获得的可靠性，根据分子模拟方法验证力场及势函数的准确性，其后对吸附吉布斯自由能展开计算，考察二氧化碳与水共吸附过程中的吸附焓与吸附熵。通过焓和熵的比较，探索各场景下，两者“博弈”后的外化作用机制，尝试通过氢键相互作用强于色散力、覆盖度改变吸附焓、气相分子自由度变化改变吸附熵等原因展开机制归纳，从而将焓、熵相对变化规律归纳为一种普遍机制并展开应用校验。
Ø 学生需求：1人
Ø 教师主页：
http://me.tju.edu.cn/faculty_teachers.action?cla=5&teacherid=1863
（3）研究任务1.3：入口压力对超音速碳捕集性能的实验研究（丁红兵）
Ø 关键词：压力、超音速、捕集性能
Ø 背景介绍：（250字以内）
全球90%以上的货物运输依赖海运，但船舶尾气中含有大量二氧化碳等温室气体，已对全球环境和公共健康造成显著负面影响，严格控制船舶大气污染物排放刻不容缓。超音速分离技术是一种新型高效的碳捕集技术，可用于处理船舶燃烧室后方具有一定压力的尾气。研究表明，入口压力对超音速分离流场内CO2的凝结液化性能有重要影响。目前，该领域的研究主要基于仿真分析，但理论模型存在不确定性，难以真实评估其性能。因此，有必要开展不同入口压力下纯CO2气体在超音速分离器中的凝结分离实验，分析实际碳捕集性能，推动超音速分离技术的工业化应用。
Ø 内容介绍（250字以内）
按照给定的CO2气体流量，通过理论计算确定超音速分离器的结构参数并选择合适的型线，以激波位置和流场均匀性为主要优化目标，采用CFD仿真优化其三维结构，并制作超音速分离器试验样机。同时，基于仿真获得的超音速旋流场内的压力和温度变化，优化沿程压力和温度传感器布局。开展CO2气体超音速捕集实验，调整入口压力，测量分离器出口流量及关键位置的温度和压力，并拟合沿程温度和压力变化曲线。通过实验揭示入口压力对CO2超音速凝结位置和强度的影响规律，获得不同压力下的碳捕集性能，为优化超音速碳捕集效率的操作条件提供关键实验数据。
Ø 学生需求：1人
Ø 教师主页：http://seea.tju.edu.cn/info/1013/1596.htm
2. 典型技术应用分析
（1）研究任务2.1：船用吸收法碳捕集系统性能分析（宋春风）
Ø 关键词：船舶碳捕集，化学吸收，性能分析
Ø 背景介绍：（250字以内）
作为中短期内最有效的温室气体控制技术，CO2捕集、封存及再利用近年来被各国科学家广泛研究以减缓全球变暖导致的温室效应等问题。目前，船运货物量占世界贸易量的80%，航运依然称为温室气体以及典型大气污染物的排放大户，每年碳排放超过8亿吨。然而，制约温室气体控制技术从陆上走向船上的主要瓶颈在于成本及能耗仍然较高、船体空间结构受限等。例如，传统的胺法CO2吸收工艺中，吸收液的再生能耗大约为2.5-3.0MJ/kgCO2，同时需要在新造船上预留尾气后处理空间。此外，典型大气污染物的后处理技术随着环境问题的关注也得到越来越多的重视。因此，低能耗温室气体控制技术及装备的开发成为该领域的重点和难点之一。
Ø 内容介绍（250字以内）
通过对不同吸收液吸收性质的研究，初步选定几种对比的吸收剂，并进行试验室小试，通过小试获取吸收液吸收性能数据。根据小试结果，筛选合理的主吸收液。在主吸收液之外，添加吸收助剂，形成复配的水基吸收液。通过中试试验台，测试其吸收性能数据，获得至少一个可实际使用的吸收液配方。测试获得的吸收液热力学和动力学数据，将所得数据嵌套入工艺计算软件，如Aspen plus软件，并用所得实验数据进行计算模型筛选，获得模型关联参数，用于后续该工艺设计流程模拟。将筛选出的吸收液物性数据嵌入ASPEN物性包，利用ASPEN PLUS软件进行碳捕集流程模拟。通过优化模拟，筛选出敏感性因素，最好能提供成图标，形成优化说明和相关报告，用以指导碳捕集工艺流程优化。
Ø 学生需求：1人
Ø 教师主页：
https://faculty.tju.edu.cn/146217/zh_CN/index.htm
（2）研究任务2.2：大型LNG船凝华法碳捕集技术探索（田华）
Ø 关键词：低温CO2捕集、LNG冷能利用、系统优化、性能分析
Ø 背景介绍：（250字以内）
大气中CO2浓度的快速增长正在加剧全球变暖、造成极端天气等问题，航运部门是CO2的第二大排放源，年CO2排放量12亿吨，约占全球碳排的6%。根据国际海事组织提出的战略表明，至2050年，船舶温室气体排放量至少降低至2008年的50%。同时，随着全球各领域对液化天然气需求的不断上升，新型液化天然气运输船（LNG船）的需求随之增多，实现大型LNG船碳中和的碳捕集技术成为研究关注点。其中，低温CO2凝华捕集方案采用工业成熟的压缩、膨胀、换热等技术，具有环保、高效、纯度高、便于固相CO2的后续运输和储存等优点，在低温CO2捕集研究中占有重要地位。
Ø 内容介绍（250字以内）
冷能消耗是低温碳捕集的主要能耗部分，而LNG气化过程中会浪费大量的冷能，因此，探索低温凝华碳捕集技术在大型LNG运输船上的应用具有重要意义。基于能效、经济性和环境影响评估，探索大型LNG船凝华法碳捕集应用潜力，是本研究重点关注的对象。本研究主要研究内容包括：（1）开展低温凝华捕集系统构型分析，建立CO2混合物气固相平衡与固相CO2的物性计算模型，进而建立低温捕集系统计算模型。（2）开展系统多维度评价与分析，选取适用于低温捕集系统的捕集性能评价指标，在能量、㶲、环境、经济四个维度进行系统设计。（3）开展LNG船-低温碳捕集系统耦合分析，针对LNG运输船排气特点，优化低温CO2捕集系统构型，探究系统性能优化途径，并进行设计工况下的综合性能分析。（4）开展LNG船全工况运行下碳捕集系统非设计优化研究，评估系统在不同发动机负荷条件下的非设计性能，旨在实现在广泛的发动机负荷范围内的高性能、低成本和轻量化。
Ø 学生需求：1人
Ø 教师主页：
http://me.tju.edu.cn/tdjxweb/faculty_teachers.action?cla=5&teacherid=1794
（3）研究任务2.3：车用吸附法碳捕集系统性能分析（潘家营，毛兴谦）
Ø 关键词：吸附法、系统设计、性能分析
Ø 背景介绍：（250字以内）
交通运输业二氧化碳排放的主要来源是道路运输，现阶段机动车尾气一般仅处理氮氧化物和二氧化硫等污染物，二氧化碳由于其含量较大，导致处理困难。目前用于机动车的吸附法碳捕集技术仍不成熟，首先，由于机动车空间非常有限，无法长期大量存储二氧化碳；其次，由于车用吸附法碳捕集、解离和存储均需消耗一定的能量和吸收化学材料，导致综合经济成本高；此外，要避免二氧化碳循环利用过程的再泄露问题，需提高捕集系统的稳定性。因此，有必要开展对车用吸附法碳捕集系统性能的分析研究。
Ø 内容介绍（250字以内）
本研究旨在将吸附法碳捕集技术应用在机动车上，系统集成了二氧化碳捕集装置、分离装置、存储装置和循环系统，利用固体吸附剂、液体溶剂的高捕集性能来捕集和利用尾气中的二氧化碳。通过将废气与吸附剂接触来捕捉二氧化碳，排出氮气、水蒸气和残余二氧化碳，将捕获的二氧化碳压缩，安全地储存在容器中。通过对吸附特性、热稳定性和结构分析，获取满足碳捕集循环系统需求的吸附剂。结合车辆行驶情况和环境因素的特点，研究各系统的匹配和循环控制，实现最小能耗下碳捕集系统的高效运行。
Ø 学生需求：2人
Ø 教师主页：
http://me.tju.edu.cn/faculty_teachers.action?cla=5&teacherid=1901
http://me.tju.edu.cn/faculty_teachers.action?cla=5&teacherid=2143
（4）研究任务2.4：船用吸附法碳捕集系统性能分析（赵睿恺）
Ø 关键词：吸附、碳捕集、船舶尾气、能耗
Ø 背景介绍：（250字以内）
航运业温室气体排放问题一直受到国际海事组织(IMO)的重点关注。为保证温室气体减排战略的落实，引入现有船舶能效指数EEXI及碳排放强度指数CII作为阶段性考核船舶碳排放的标准，并将于2023年全面实施。CO2捕集技术是应对当前船舶减排最直接有效的方法，固体吸附法相较于液体吸收法具有再生能耗低、设备体积小、无泄漏风险、吸附剂种类丰富等优势在CO2捕集领域备受关注。
Ø 内容介绍（250字以内）
本课题提出一种船舶变温吸附碳捕集系统，拟选择合适的吸附剂材料并模拟船舶尾气为进料气体，从CO2回收率、纯度、比能耗和第二定律效率等方面对船舶尾气变温吸附碳捕集系统性能与运行参数之间的关系进行研究，考察吸附温度和解吸温度等参数对碳捕集系统分离性能和能量效率的影响。根据模拟研究结果计算实际航运中需要的碳捕集系统体积和成本，最终形成完整的船舶变温吸附碳捕集系统性能评估方案。
Ø 学生需求：1人
Ø 教师主页：
http://me.tju.edu.cn/faculty_teachers.action?cla=5&teacherid=2057
五、报名及联系方式：
Ø 学生报名：
相关课题细节以及其他未尽事宜请咨询项目组联系人：赵老师 15122580095
欢迎各位同学踊跃报名，期待你的加入！
移动载具排放源碳捕集共性关键技术研究及应用分析
新工科毕设工作组
2024年9月23日