一、 作品信息

作品名称： “碳纳百污，熔生新碳”——太阳能驱动熔盐热解生物质制备高效多孔碳材料系统

参赛单位： 中南大学

指导教师： 杨建平

团队成员： 童皓煜、刘兵旭、张秉铎、刘航语、刘俊

获奖信息： 第四届象新力杯－开放创新赛道自由选题类－一等奖

二、 作品介绍

我国汞污染问题严峻，燃煤电站汞排放量连年位居世界第一，每年大气排汞500～600吨，占全球30%，其中近65%来自燃煤等矿物使用。当前主流的活性炭喷射脱汞技术存在吸附竞争性强、温度窗口窄、成本高、再生性差等缺陷。与此同时，我国生物质资源丰富，年产量巨大，但传统生物质热解制备多孔碳材料面临性能差、成本高、难循环的瓶颈：物理/化学活化法孔隙结构不佳且工艺复杂；传统熔盐热解则存在熔盐利用率低、耗能高、产物提纯难度大等问题。

针对上述挑战，中南大学团队原创设计了一套太阳能驱动熔盐热解生物质制备高效多孔碳材料系统。该系统以废弃生物质（木屑、甘蔗渣、水稻秆等）为原料，以低熔点共晶LiCl-KCl熔盐为反应介质，利用太阳能集热耦合斯特林机供热，实现生物质的高效热解与造孔，制备出比表面积大、孔隙丰富、含氧官能团多的多孔碳材料，可高效吸附燃煤烟气中的单质汞（Hg⁰），同时实现熔盐循环利用与热解气回热，为燃煤电站脱汞提供了一种低碳、低成本、高性能的全新解决方案。

三、 核心创新

1. 太阳能驱动熔盐热解工艺

系统采用碟式斯特林机聚集太阳能，为熔盐热解提供高温（500~800℃）热源，无需额外供电，大幅降低能耗。热解产生的不凝性气体（含可燃成分）通入燃烧室燃烧，为反应后熔盐保温，进一步实现能量自给。相比传统电加热或化石能源加热，该工艺显著减少碳排放与运行成本。

2. 熔盐介质强化造孔与循环利用

利用LiCl-KCl共晶熔盐作为传热和造孔介质，在热解过程中对生物碳进行均匀刻蚀，形成蜂窝状多层孔隙结构。实验表明，制备的熔盐多孔碳材料比表面积大、微孔丰富，且富含羟基、羰基等含氧官能团，对Hg⁰吸附性能显著优于普通生物碳。同时，熔盐可循环使用：三次循环后熔盐成分基本不变（LiCl/KCl质量比59:41→57:43），产出碳材料吸附能力保持稳定，解决了传统熔盐热解中熔盐浪费和提纯难的问题。

3. 连续化反应装置设计与热解条件优化

团队自主设计了旋转锥反应器，集成生物质扩散进口、高温熔盐进口、产物出口、布粉板、旋转锥等部件，实现连续进料、反应、分离的一体化流程。通过系统实验优化了热解温度（700℃）、木屑与熔盐质量比（1:10）LiCl/KCl比例（59:41）等关键参数，在该条件下熔盐带出量最低、分离效果最佳，为工业化放大提供了数据支撑。

四、 应用前景

本项目已获得国家发明专利初步审查合格通知书及国家实用新型专利受理通知书，可广泛应用于燃煤电站烟气脱汞、废弃生物质资源化、太阳能热利用领域、分布式碳材料生产等场景。与传统热解装置相比，新方法每热解1吨生物质成本约320元，较传统方法（620元/吨）节省300元，每年可节约电能1.08 GW·h，减排CO₂ 5040吨，减排PM2.5 59.7吨，减少渗透液4.3万立方米。

从实验室小试到工业化模拟，中南大学团队以“太阳能+熔盐”创新组合，破解了生物质热解制备高性能碳材料的高能耗、高成本难题，为燃煤污染控制与清洁能源利用提供了绿色解决方案。