2025-11-10
各学院（部）：
为更好开展新工科毕设项目，提升项目质量和水平，“移动载具排放源碳捕集共性关键技术研究及应用分析”新工科毕业设计项目现面向全校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
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。
研究任务1.2：“体积功-吸附自由能变”高效转换机制与方法研究（邓帅）
（1）基于固定腔，展开压力摆荡吸附碳捕集性能分析，归纳压力变化对系统性能损失；
（2）探索恒压变体积压力摆荡吸附碳捕集新构型，提出变容腔压力摆荡吸附碳捕集新方法；
（3）完成性能分析并撰写本科毕设论文。
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
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。
研究任务2.2：大型LNG船凝华法碳捕集技术探索（田华）；
（1）开展三相CO2物性分子动力学模拟研究，获得关键热力状态CO2物性规律；
（2）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，进行LNG船全工况运行下碳捕集系统非设计优化研究。
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。
研究任务2.4：移动载具用紧凑式吸附法碳捕集系统性能分析（赵睿恺 邓帅）；
（1）基于移动载具有限空间和排气余焓，探索合适的吸附剂材料和配适的新型系统构型；
（2）基于尾气余焓驱动边界条件，考察紧凑式吸附碳捕集系统性能与运行参数之间的关系进行研究；
（3）最终形成完整的吸附碳捕集系统方案并完成论文。
3.方向三：典型技术评价分析
研究任务3.1：增强岩石风化碳封存技术的应用分析（金超）
（1）基于移动源碳捕集CO₂，开展增强岩石风化碳封存的耦合实验与工艺优化；
（2）探究不同条件下碳移除效率、矿化速率及协同移除机制，为移动源工程化应用提供实验依据和设计方案。
研究任务3.2：道路交通领域碳移除技术与源头减碳协同分析研究（金超）
（1）结合GCAM情景分析方法，系统评估公路、铁路及航运等交通方式的源头减碳措施与碳移除技术（DAC、BECCS、海洋碱化等）协同潜力；
（2）探究不同技术组合在政策约束、经济性及技术可行性条件下的减排效果，为交通领域优化减排策略提供数据支撑和决策依据。
四、项目主要方向及任务
项目拟设三个研究方向：共性关键技术、技术应用分析和技术评价分析，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）
关键词：气体 换热器 微通道
背景介绍：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。
内容介绍：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。
学生需求：1人
教师主页：http://me.tju.edu.cn/faculty_teachers.action?cla=5&teacherid=1589
（2）研究任务1.2：“体积功-自由能变”高效转换机制与方法研究（邓帅）
关键词：压力摆荡、吸附、变容腔
背景介绍：压力摆荡吸附（PSA）是吸附碳捕集中一类主流技术，其通过改变系统压力实现“吸附-解吸”摆荡过程。因其使用体积功这种高品质功驱动，故相对温度摆荡吸附（TSA）可使系统更加紧凑，非常适合狭小空间内部署。然而，基于吸附平衡曲线，吸附性能高度敏感于压力条件，因此，如能让吸附剂始终工作在恒压高性能区间，则有望进一步提升“体积功-吸附自由能变”之间的转换效率。
内容介绍：相对于恒容变压，恒压工作伴生变容，因此，传统压力摆荡吸附中的固定腔方案无法满足要求。据此，变容腔体有望成为新的系统构型特征。本课题将基于上述背景，开发变容腔体设计方法并完成案例设计，并与传统技术方案展开对比，探索相同碳源条件下，“体积功-自由能变”转换效率提升潜力。
学生需求：1人
教师主页：http://me.tju.edu.cn/faculty_teachers.action?cla=5&teacherid=1863
（3）研究任务1.3：超音速碳捕集液滴行为模拟与分析（丁红兵）
关键词：超音速、液滴行为、捕集性能
背景介绍：全球约90%的贸易依赖海运，船舶碳排放不容忽视，实现船舶低碳化已成为行业发展的必然方向。现有陆上碳捕集技术普遍存在能耗高、设备体积大且维护复杂等问题，难以直接移植到空间受限的船舶上。超音速分离技术作为一种新型高效碳捕集方法，具有能耗低、结构紧凑、易维护等显著优势，尤其适合布置于燃烧室后方的尾气管路中。超音速碳捕集流场中的凝结特性和液滴行为是揭示捕集机理和评估系统性能的关键因素，但目前关于CO2液滴在超音速流场中的动力学和传质规律尚不明确，不同操作条件下的碳捕集性能有待进一步深入研究。
内容介绍：针对现有固定结构的小型CO2超音速分离器，建立能够模拟CO2气体异质凝结过程并追踪CO2凝结液滴行为的数值Euler-Lagrange模型，开展CO2气体超音速捕集实验，获取沿程压力变化等实验数据对所建立的模型进行实验验证。以所建立的数值模型基础，分析不同条件下的超音速碳捕集流场内的CO2液滴动力学与热力学行为，重点研究液滴的运动轨迹、蒸发特性、传质效率等关键参数，明确超音速碳捕集的机理。进一步，分析不同压力和温度等操作条件下超音速碳捕集性能的变化规律，获得使碳捕集性能最优的最佳操作条件。
学生需求：1人
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）
关键词：船舶碳捕集、化学吸收、性能分析
背景介绍：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。
内容介绍：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。
学生需求：1人
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、李力耕）
关键词：低温CO2捕集、LNG冷能利用、分子动力学模拟，系统优化、性能分析
背景介绍：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。
内容介绍：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CO2物性的分子动力学模拟研究，基于Lammps建立CO2混合物物性数据库。（2）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。（3）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。（4）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。（5）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，获得全生命周期碳足迹性能，实现在广泛的发动机负荷范围内的高性能、低排放。
学生需求：1-2人
教师主页：http://me.tju.edu.cn/tdjxweb/faculty_teachers.action?cla=5&teacherid=1794
http://me.tju.edu.cn/tdjxweb/faculty_teachers.action?cla=5&teacherid=2165
（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）
关键词：吸附法、系统设计、性能分析
背景介绍：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。
内容介绍：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。
学生需求：2人
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：移动载具用紧凑式吸附法碳捕集系统性能分析（赵睿恺 邓帅）
关键词：吸附、碳捕集、移动载具、紧凑式
背景介绍：移动载具往往内部空间有限，同时，由于移动特征，驱动源很难“假手于外”，仅能焦点向内，聚焦挖掘自身动力系统的潜力，这为移动载具吸附碳捕集设计提出了艰巨挑战。因此，探索紧凑式吸附碳捕集系统构型成为当务之急，同时，该类设备需紧密结合载具自身余能利用（如排气余焓），才能进一步压缩占用空间，与移动载具自身动力系统实现高度集成。
内容介绍：本课题提出一种移动载具用紧凑式吸附碳捕集系统，基于移动载具有限空间和排气余焓，探索合适的吸附剂材料和配适的新型系统构型，基于尾气余焓驱动边界条件，考察紧凑式吸附碳捕集系统性能与运行参数之间的关系进行研究，从CO2回收率、纯度、比能耗和第二定律效率等方面对紧凑式吸附碳捕集系统性能与运行参数之间的关系进行研究，最终形成完整的吸附碳捕集系统方案并完成论文。
学生需求：1人
教师主页：http://me.tju.edu.cn/faculty_teachers.action?cla=5&teacherid=2057
3.典型技术评价分析
（1）研究任务3.1增强岩石风化碳封存技术的应用分析（金超）
关键词：增强风化、海洋碳封存、船舶碳捕
背景介绍：持续升高的全球气温正推动海洋从碳汇向潜在碳源转变。尽管海洋能吸收约四分之一的人为产生的CO₂，但酸化和升温加速了溶解无机碳的再释放过程。船舶等移动载具排放具有瞬态高温、高湿和波动性强等特征，统碳捕集技术通常依赖高温再生和大型设备。海洋增强岩石风化不依赖环境条件控制，自然环境实现CO₂的矿化封存，为海洋环境下的负碳转化提供潜力。将船舶排放捕集的CO₂通过液态或气溶胶形式高效输送至海洋风化体系，可实现碳捕与碳封存的过程耦合。为此，需要评估两者在能效、反应速率及封存稳定性等方面的协同关系，探索适用于移动源的工程化路径。
内容介绍：本研究以船舶碳捕集后得到的CO₂与海洋增强岩石风化在人工海水与近海条件下的耦合反应为核心，重点开展实验验证与工艺参数化研究。通过连续流动床/输送连续吸附实验，可模拟船舶排放的温度、流量与浓度脉动。在不同橄榄石粒径、比表面积、液固比、温度、CO₂接触方式（气相吸收/溶液吸收）及缓冲条件下开展矿化动力学实验，检测pH、溶解Ca/Mg与溶解碳、沉淀速率与产物形貌（SEM）、矿物相（XRD）及元素含量（ICP-OES/ICP-MS），并以质量平衡/碳定量法评估固定碳量及协同移除机理。同步实施小尺度输送与投放试验，验证CO₂从实验室到海域释放的可行性。基于实验结果优化反应器与投放参数，提出适用于移动源的工程化工艺方案。对协同体系的能效与碳封存效能进行简要评价，为后续放大试验与示范提供直接的实验依据。
学生需求：1人
教师主页：https://faculty.tju.edu.cn/126058/zh_CN/index.htm
（2）研究任务3.2道路交通领域碳移除技术与源头减碳协同分析研究（金超）
关键词：道路交通、碳移除技术、协同分析、GCAM
背景介绍：我国交通运输领域的碳排放年均增速保持在6.24%以上，已成为温室气体排放增长最快的领域之一。2023年，全国移动源污染物排放总量为1924.6万吨，同比下降4.9%。随着全球人口、经济和交通需求的增长，交通运输产生的温室气体排放量到2050年可能会增加多达60%。因此，交通领域的减排工作尤为迫切。传统的源头减排措施，如燃料效率提升、电动化和替代燃料应用，虽能在短期内降低排放，但在中长期仍面临技术、经济和政策等多重挑战。为实现全球气候目标，亟需探索碳移除技术的潜力。然而，不同交通方式在碳排放特征和减排潜力方面存在差异，因此，探索道路交通领域碳移除技术与源头减碳措施的协同效应，对于制定科学的减排策略具有重要意义。
内容介绍：本研究聚焦道路交通领域碳移除技术与源头减碳措施的协同效应，重点比较公路、铁路和航运等不同交通方式的减排潜力与技术适配性。研究在模型基础上针对性修改各交通方式的燃料结构、车辆渗透率、碳捕集效率、碳移除技术成本等参数，加入政策约束条件，同时考虑不同碳移除技术组合在交通领域的应用潜力，如直接空气捕集（DACCS）、生物能源与碳捕集封存（BECCS）、增强风化等。通过构建多种情景组合，分析源头减碳措施与碳移除技术在不同实施比例下的协同效应，并评估政策约束、经济性及技术潜力对整体减排效果的贡献。形成针对不同交通方式的优化减排方案，为科学部署碳移除技术与源头减碳措施提供数据支撑和决策依据。
学生需求：1人
教师主页：https://faculty.tju.edu.cn/126058/zh_CN/index.htm
五、报名及联系方式：
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！
