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专利名称：一种城镇生活垃圾处理系统温室气体排放监测方法
技术领域：
本发明涉及温室气体排放领域，特别涉及一种城镇生活垃圾处理系统温室气体排放监测方法。
背景技术：
生活垃圾(MSW)等城市固体废弃物在处理过程中的温室气体(GHG)排放是温室气体的重要来源。为制定针对性的生活垃圾温室气体减排策略，国内外学者研究了填埋、焚烧等不同处理方式的温室气体排放规律，并分别采用生命周期评价方法(LCA)、联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的推荐方法，以及基于清洁发展机制(CDM)的核算方法，对生活垃圾处理技术以及整个处理系统进行温室气体排放核算和分析。如果仅仅采用核算模型，根据模型参数缺省值测算温室气体排放量，由于核算的对象复杂多变，所面临的气压、温度和组成成分不同，单纯依据参数缺省值并不能反映核算对象的真实温室气体排放量；如果仅靠监测数据确定排放量，由于生活垃圾成分迥异，不同采样点采集的数据差异巨大，监测受到自然、人为影响因素众多，监测结果不稳定，并且如果想获得精确数据需要的监测成本较高。所以比较理想的方法是结合监测数据确定核算模型中的参数，特别在选择排放因子时，将尽可能地通过实地调研或者监测，得到准确反映不同条件下城镇生活垃圾排放特征的排放因子，再根据核算模型模拟出温室气体排放的过程和数量。目前温室气体的监测方法包括模型估算法、通量箱法和微气象学法等。模型估算法原理是根据不同相间(水-气)气体成分的浓度梯度并运用Fick定律来估算通量，它一般只适用于水-气界面的通量估算。通量箱法花费低、操作方便、灵敏度高，是温室气体监测的常用方法。和通量箱法相比，微气象学法是一种开放式的测量方法，多用于陆生生态环境温室气体的测量研究，其所测气体通量值是较大空间范围内(一般为100 1000m)的平均值。针对城市垃圾填埋场产气的特点，通常选用通量箱法进行监测。但通量箱体对观测对象有扰动，箱内外存在一定压力差、温度差等，使测试与实际情况存在一定偏离情况。 通量箱法包括静态箱和动态箱，从静态箱到动态箱的发展在一定程度上克服了上述问题， 但动态箱本身亦具有一定缺陷一方面，动态箱箱体平衡流量将干扰界面气体传输，另一方面，在气体排放通量较低的情况下，箱体的出口和入口处的被测气体浓度差别很�。�因而要求有很高的测量精度，否则会导致较大的测量误差。发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术中至少存在以下的缺点和不足现有技术中的监测方法的成本高，监测所受影响因素复杂，监测结果不稳定等，并且影响核算的准确性。

发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种城镇生活垃圾处理系统温室气体排放监测方法，该方法降低了监测的成本，监测结果稳定并且核算的准确性较高，详见下文描述一种城镇生活垃圾处理系统温室气体排放监测方法，所述方法包括以下步骤(1)从6类不同垃圾产生源分别采集监测样品，获取有机碳的含量，并将有机碳的含量录入上位机工作站作为参数；(2)当在填埋作业阶段且无甲烷收集系统时，以台阶为单元，实现垃圾的填埋，采用静态箱法对甲烷含量进行监测，通过甲烷气体分析仪三地采集时序控制系统获取第一甲
烷含量；(3)当在封场阶段且无所述甲烷收集系统时，在抽气前测量所有实验井的填埋气的自然压力和甲烷含量初始值，对集气井进行抽气并测量抽气负压和填埋气成分，同时在监测井监测填埋气的压力和成分变化，安装压力探头，确定抽气的影响范围，所述甲烷气体分析仪三地采集时序控制系统根据压力和成分获取第二甲烷含量；(4)当有所述甲烷收集系统时，运用烟气分析仪对收集井甲烷浓度进行监测，通过所述甲烷气体分析仪三地采集时序控制系统获取第三甲烷含量；(5)将所述第一甲烷含量、所述第二甲烷含量或者所述第三甲烷含量通过数据服务中心发送至所述上位机工作站，通过所述上位机工作站获取单位重量垃圾在单位时间内的产气量；(6)采用一阶衰减模式，根据所述有机碳的含量、所述第一甲烷含量、所述第二甲烷含量和所述第三甲烷含量获取甲烷的排放量；(7)根据所述有机碳的含量获取CO2和N2O的排放量；(8)所述上位机工作站对所述甲烷的排放量、所述(X)2和队0的排放量进行处理， 获取数据曲线图；其中，在无所述甲烷收集系统的垃圾填埋场填埋过程中选用步骤O)，封场后选用步骤(3)，而在有所述甲烷收集系统的垃圾填埋场中全程选用步骤0)。所述甲烷的排放量具体为采用一阶衰减模式，所述甲烷的排放量Ech4 = DDOCffldecofflplXFX 16/12Ech4为T年填埋城市固体废弃物的CH4排放量，单位为吨；DD0Cmde。。pT为T年分解的 DDOCffl ；F为产生的垃圾填埋气体中的CH4比例；16/12为CH4/C分子量比率；T年末固体废弃物处理场所累积的DDOCm DDOCmal = DDOCffldl+ (DDOCma^1 X e_k)T 年分解的 DDOCm DDOCffldecofflpl = DDOCmaH X (卜一’T为清单年份；DD0CmaT单位为吨；DDOCmaH为T_1年年终时固体废弃物处理场所累积的DDOCm,单位为吨；DD0CmdT为T年沉积到固体废弃物处理场所的DDOCm,单位为吨；k为反应常量，k = 1乂2)/、2，单位为年，t1/2为半衰期时间，其中，所述半衰期时间根据所述单位重量垃圾在单位时间内的产气量确定。所述(X)2的排放量Eco = MSW χ Σ (WFj χ dm. χ CF. χ FCF. xOF.)x44/12i^2为焚烧城市固体废弃物的CO2排放量，单位为吨；W。为固体废弃物中成分j的百分比；C^为成分j中的干物质百分比；C。为成分j的干物质中总碳的比例；FCFj为矿物碳在总碳中的比例；OFj为氧化因子，取100% ；44/12为0)2/C分子量比率。所述队0的排放量Enp =MSW χ EFnp χ ιο 6 χ GWPni0为焚烧城市固体废弃物排放N2O产生的二氧化碳排放当量，单位为吨；MSW为焚烧的城市固体废弃物质量，单位为吨声^^为N2O的排放因子；GWP_*N20产生的温室效应与CO2相比的倍数，取310。所述方法还包括对上游和下游的间接排放量进行监测，上游的间接排放量包括上游活动水平和排放因子相乘得到CO2的排放量；其中， 所述活动水平具体为运输垃圾过程中所消耗的能源消耗量和耗电量；下游的间接排放量包括从输出的电量上对⑶2的减排量进行监测，具体为生活垃圾处理后对外输出的电量乘上当地发电的(X)2平均排放系数，所述当地发电的(X)2平均排放系数为基准线排放因子，为电量边际排放因子和容量边际排放因子的加权平均。本发明提供的一种城镇生活垃圾处理系统温室气体排放监测方法，与现有技术相比具有如下的优点本发明通过对甲烷气体和垃圾组分进行监测，对垃圾成分、可降解有机碳含量、垃圾填埋气体中的CH4比例和半衰期等进行修订，重点提出不同条件下上述参数的选择原则， 对现场仪表与上位机工作站进行联系，可实时更新数据；本发明降低了监测的成本，监测结果稳定并且核算的准确性较高。


图1为本发明提供的一种城镇生活垃圾处理系统温室气体排放监测的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。当前国内外都缺乏针对温室气体监测方法的标准，而针对城市生活垃圾温室气体排放的标准监测方法更是缺乏，迫切需要结合核算的目的制定一套标准监测指标和方法。 将监测与核算统一，建立一套针对城市生活垃圾不同处理方式的监测核算体系。为了降低监测核算成本，利用最少的监测指标提高准确性，整个城镇生活垃圾处理系统温室气体排放监测方法由三部分组成，根据技术要求，现场层采集不同条件下监测得到的可降解有机碳质量分数、自然压力和甲烷含量等信号并发送给数据采集站。数据采集站对原始采集数据做初步处理，采用工业以太网方式将所有数据高速发送至上位机工作站。上位机工作站通过人为设定的参数和采集得到的数据参数以下文提供的方法计算出填埋和焚烧两种处理方式的温室气体减排量。上位机工作站实时将计算后的数据存入数据库内保存。生活垃圾产生温室气体主要为甲烷，垃圾填埋后，由于微生物的活动，垃圾中的可降解有机成份被逐渐分解，这一过程可大致分为五个阶段水解/好氧降解阶段、水解/发酵阶段、酸化阶段、产甲烷阶段和氧化阶段。垃圾中CH4排放基于一阶衰减方法，此方法假设，在014和0)2形成的数十年里，废弃物中的可降解有机成分(可降解有机碳，D0C)衰减很慢。如果条件恒定，CH4产生率完全取决于废弃物的含碳量。因此在沉积之后的最初若干年里，在处置场沉积的废弃物产生的CH4排放量最高，随着废弃物中可降解有机碳被细菌 (造成衰减)消耗，该排放量也逐渐下降。由此可见，参见图1，甲烷的产生过程主要与垃圾中可降解有机碳的含量和降解的半衰期有关，半衰期主要受垃圾组成、填埋条件和气象条件的影响，半衰期通过监测单位时间内的产气量可以确定。101 从6类不同垃圾产生源分别采集监测样品，获取有机碳的含量，并将有机碳的含量录入上位机工作站作为参数；其中，该步骤具体为监测样品应从6类不同垃圾产生源分别采集，这些采样点包括商业区、居民生活区、事业区、清扫区、特殊区和混合区。测定垃圾容重后将大块垃圾破碎至粒径小于50mm的小块，摊铺在水泥地面充分混和搅拌，再用四分法缩分2 (或幻次至 25-50kg样品，置于密闭容器运到分析场地。监测样品含碳量的测定分析方法采用重铬酸钾容量法中的外加热法。在外加热的条件下(油浴温度为180°C，沸腾5分钟)，用一定浓度的重铬酸钾-硫酸溶液氧化样品中有机碳，剩余的重铬酸钾用硫酸亚铁来滴定，从所消耗的重铬酸钾量，计算有机碳的含量，将其有机碳的含量录入到上位机工作站作为参数。102 当在填埋作业阶段且无甲烷收集系统时，以台阶为单元，实现垃圾的填埋，采用静态箱法对甲烷含量进行监测，通过甲烷气体分析仪三地采集时序控制系统获取第一甲烷含量；其中，该步骤具体为填埋作业以台阶为单元，每1个台阶高度约12. 5m;分两层填埋，每1层高度为6. 0m，中间覆土层厚约30cm。完成1个台阶的填埋后即进行终场覆盖，覆土层厚度约lm，边坡坡度1 3。用静态箱法进行甲烷含量监测，静态箱顶部设取样口和测温口，固定部分埋置在覆土层中，测试时将静态箱盖插在水封槽内，注水密封。分别在O、10、 20,30和40min从气体取样口取样；取样同时记录静态箱内温度，以校正气体浓度。气样中甲烷的体积分数用气相色谱分析测试。103 当在封场阶段且无甲烷收集系统时，在抽气前测量所有实验井的填埋气的自然压力和甲烷含量初始值，对集气井进行抽气并测量抽气负压和填埋气成分，同时在监测井监测填埋气的压力和成分变化，安装压力探头，确定抽气的影响范围，甲烷气体分析仪三地采集时序控制系统根据压力和成分获取第二甲烷含量；采取抽气实验法测定，抽气实验分为静态实验和动态实验两个阶段，静态实验过程包括在抽气前测量所有实验井的填埋气的自然压力，动态实验采用在集气井抽气并测量抽气负压和填埋气成分，同时在监测井监测填埋气的压力和成分变化。实验包括三部分 第一部分为在多口集气井同时抽气时测量的最大抽气流量及抽气压力；第二部分为分别单独测试集气井的最大抽气流量及抽气压力；第三部分为在每天开始进行抽气实验前监测各井的静态压力。集气井的气体流量与抽气压力基本上呈线性关系，其比值的大小与所在地区垃圾的填埋时间和填埋厚度有关，同时，通过安装压力探头，确定抽气的影响范围。104:当有甲烷收集系统时，运用烟气分析仪对收集井甲烷浓度进行监测，通过甲烷气体分析仪三地采集时序控制系统获取第三甲烷含量；其中，该步骤具体为运用烟气分析仪对收集井甲烷浓度进行监测。在收集
7井出口处截面增加测样装置段，从测样装置段下端与收集井的结合处进气，上端出气输入收集管等，并于侧面设置测样口和温度口。本发明实施例中的烟气分析仪采用德图 testo350pro烟气分析仪为例进行说明，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。结合德图testo350pro烟气分析仪的烟气探针和温度探头(K型)型号大小设计可闭合测样口和温度口。测量时将testo350Pro烟气分析仪与动态箱进行连接，直接进行现场监测，方便快捷，避免样品采集、运输带来的误差。德图teSto350Pro配有各种流量传感器，可测量各种气体的烟气参数，最多可同时测量6种参数。也可测量差压，计算烟气流速/流量，以及各种气体烟气年排放量。标配的烟气探针长700mm，耐温50(TC。监测所得数据可通过数据接口进行传输。流量传感器配置如下本发明实施例中的流量传感器采用原装进口智能涡街流量计，共四套，表头有液晶显示瞬时流量及累计流量，瞬时流量按量程输出4-20MA电流信号给流量积算仪表，精度0. 5%。其中，本发明实施例中的甲烷气体分析仪三地采集时序控制系统可以实现一套气体分析仪采集三地气体CH4浓度，节省投资成本，该系统采用西门子S7系列PLC进行控制， 其采集的总管、发电管道、火炬管道的CH4浓度信号通过对零压电磁阀的时序控制(设定点或参比输入信号自动按预定时间表执行控制)实现连续测量，其中发电管道的CH4浓度信号通过信号配电分配器输出给发电机组用于机组控制。流量积算仪表采用原装进口 WP系列积算仪，其可采集温度，压力及流量信号，瞬时流量及累计流量为经过温度压力补偿后的标况流量。其中，步骤102至步骤104的执行顺序是根据垃圾填埋场的实际情况选择进行的， 在无甲烷收集系统的垃圾填埋场填埋过程中选用步骤102，封场后选用步骤103，而在有甲烷收集系统的垃圾填埋场中全程选用步骤104。105 将第一甲烷含量、第二甲烷含量或者第三甲烷含量通过数据服务中心发送至上位机工作站，通过上位机工作站获取单位重量垃圾在单位时间内的产气量；其中，该步骤具体为由产生被检测气体的垃总量通过上位机工作站可以计算出单位重量垃圾在单位时间内的产气量，该单位时间内的产气量用于效核垃圾降解半衰期的取值。106:采用一阶衰减模式，根据有机碳的含量、第一甲烷含量、第二甲烷含量和第三甲烷含量获取甲烷的排放量；采用一阶衰减(FOD)模式，并结合实际对甲烷气体和垃圾组分的监测数据以及相关研究成果对其缺省参数进行修订，重点提出不同条件下参数的选择原则，具体计算甲烷排放量的方法为CH4 的计算Ech4 = DDOCffldecofflplXFX 16/12(1)式(1)中ECH4为T年填埋城市固体废弃物的CH4排放量，单位为吨；DD0Cmde。。pT为 T年分解的DDOCm,其计算方法见下面式O)、(3)和；F为产生的垃圾填埋气体中的CH4 比例，结合调研和实际监测数据确定；16/12为CH4/C分子量比率。一阶反应中，结果量始终与反应材料数量成比例。废弃物材料沉积于固体废弃物处理场所的年份与每年产生的CH4量无关，只与当时在场所内的分解材料总质量有关。如果知道起始年份固体废弃物处理场所中分解材料的数量，则每一年皆可视为估算方法中的第一年，基本的一阶计算的完成可采用这两个简单的公式，而衰减反应开始于沉积之后那年的1月1日。T年末固体废弃物处理场所累积的DDOCm DD0CmaT = DD0CmdT+(DDOCmaH X e_k)⑵T 年分解的 DDOCm DDOCffldecofflpl = DDOCmaHX (I^k)⑶式⑵和(3)中T为清单年份；DD0CmaT为T年末固体废弃物处理场所累积的 DDOCm,单位为吨；DDOCmaH为(T-I)年年终时固体废弃物处理场所累积的DDOCm,单位为吨； DDOCffldl为T年沉积到固体废弃物处理场所的DDOCm,用监测得到的可降解有机碳的含量与T 年填埋的垃圾总量相乘即可得到，单位为吨；k为反应常量，k = ln(2)/t1/2，单位为年，t1/2 为半衰期时间，其中，半衰期时间根据单位重量垃圾在单位时间内的产气量确定。在一阶衰减模式中，垃圾降解的半衰期是影响填埋气体产量变化趋势的关键参数，模式推荐的取值范围为5 10年(a代表年)，可根据实验监测所得的CH4气体产量来�：死�圾降解半衰期应取的具体数值。107 根据有机碳的含量获取(X)2和N2O的排放量；垃圾焚烧中CO2的计算Eco =MSWxYiWFj χ dm. χ CFj χ FCFj χ OFj) χ 44/12(4)
2 j式⑷中声q为焚烧城市固体废弃物的CO2排放量，单位为吨；W。为固体废弃物中成分j的百分比，根据调研和实测的数据得到；CK为成分j中的干物质百分比；CFj为成分j的干物质中总碳的比例；FCFj为矿物碳在总碳中的比例(总碳去掉可降解的有机碳 D0C) ；OFj为氧化因子，取100% ；44/12为(X)2/C分子量比率。垃圾焚烧中N2O的计算ENp =MSW χ EFnp χ ΙΟ—6 χ GWPni0( 5 )式(5)中为焚烧城市固体废弃物排放队0产生的二氧化碳排放当量，单位为吨；MSW为焚烧的城市固体废弃物质量，单位为吨 ’EF叩为队0的排放因子，取IPCC缺省值 50gN20/吨城市固体废弃物；GWPn2q为N2O产生的温室效应与(X)2相比的倍数，取310。108 上位机工作站对甲烷的排放量、CO2和队0的排放量进行处理，获取数据曲线图。其中，在数据曲线图上可以直接的看出甲烷的排放量、COjPN2O的排放量，方便了实际应用中的多种需要。其中，为了能够得到垃圾处理全生命周期的CO2的排放量，本发明实施例还包括上游和下游的间接排放量。上游包括上游活动水平和排放因子相乘得到CO2的排放量。其中，活动水平具体为运输垃圾过程中所消耗的能源消耗量和耗电量。采用IPCC提供的化石能源温室气体排放因子的缺省值和中国区域电网基准线排放因子，将活动水平和排放因子相乘得到此阶段的CO2排放量。下游包括从输出的电量上对CO2的减排量进行监测，输出电能减少了普通发电的碳排放量，抵消了垃圾处理中的一部分的CO2排放量。具体为生活垃圾处理后对外输出的电量乘上当地发电的(X)2平均排放系数。当地发电的(X)2平均排放系数即为基准线排放因子，应当是电量边际排放因子(EFmumj)和容量边际排放因子(EFgHUfty)的加权平均，又称组合边际CM，权重wOM和wBM默认值为50%。例如天津位于华北地区，采用华北区域电网数据。综上所述，本发明实施例通过对甲烷气体和垃圾组分进行监测，对垃圾成分、可降解有机碳含量、垃圾填埋气体中的CH4比例和半衰期等进行修订，重点提出不同条件下上述参数的选择原则，对现场仪表与上位机工作站进行联系，可实时更新数据；本发明实施例降低了监测的成本，监测结果稳定并且核算的准确性较高。本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种城镇生活垃圾处理系统温室气体排放监测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤(1)从6类不同垃圾产生源分别采集监测样品，获取有机碳的含量，并将有机碳的含量录入上位机工作站作为参数；(2)当在填埋作业阶段且无甲烷收集系统时，以台阶为单元，实现垃圾的填埋，采用静态箱法对甲烷含量进行监测，通过甲烷气体分析仪三地采集时序控制系统获取第一甲烷含量；(3)当在封场阶段且无所述甲烷收集系统时，在抽气前测量所有实验井的填埋气的自然压力和甲烷含量初始值，对集气井进行抽气并测量抽气负压和填埋气成分，同时在监测井监测填埋气的压力和成分变化，安装压力探头，确定抽气的影响范围，所述甲烷气体分析仪三地采集时序控制系统根据压力和成分获取第二甲烷含量；(4)当有所述甲烷收集系统时，运用烟气分析仪对收集井甲烷浓度进行监测，通过所述甲烷气体分析仪三地采集时序控制系统获取第三甲烷含量；(5)将所述第一甲烷含量、所述第二甲烷含量或者所述第三甲烷含量通过数据服务中心发送至所述上位机工作站，通过所述上位机工作站获取单位重量垃圾在单位时间内的产气量；(6)采用一阶衰减模式，根据所述有机碳的含量、所述第一甲烷含量、所述第二甲烷含量和所述第三甲烷含量获取甲烷的排放量；(7)根据所述有机碳的含量获取(X)2和队0的排放量；(8)所述上位机工作站对所述甲烷的排放量、所述CO2和队0的排放量进行处理，获取数据曲线图；其中，在无所述甲烷收集系统的垃圾填埋场填埋过程中选用步骤O)，封场后选用步骤 (3)，而在有所述甲烷收集系统的垃圾填埋场中全程选用步骤(4)。
2.根据权利要求1所述的一种城镇生活垃圾处理系统温室气体排放监测方法，其特征在于，所述甲烷的排放量具体为采用一阶衰减模式，所述甲烷的排放量Ech4 = DDOCffldecofflplXFX 16/12Ech4为T年填埋城市固体废弃物的CH4排放量，单位为吨；DD0Cmde。。pT为T年分解的 DDOCffl ；F为产生的垃圾填埋气体中的CH4比例；16/12为CH4/C分子量比率；T年末固体废弃物处理场所累积的DDOCm DDOCmal = DD0CmdT+(DDOCmaH X e_k)T年分解的DDOCm DDOCffldecofflpl = DDOCffla^1X (I- )T为清单年份；DD0CmaT单位为吨；DDOCmaH为T-I年年终时固体废弃物处理场所累积的 DDOCffl,单位为吨；DD0CmdT为T年沉积到固体废弃物处理场所的DDOCm,单位为吨；k为反应常量，k = 1乂2)/、2，单位为年，t1/2为半衰期时间，其中，所述半衰期时间根据所述单位重量垃圾在单位时间内的产气量确定。
3.根据权利要求1所述的一种城镇生活垃圾处理系统温室气体排放监测方法，其特征在于，所述CO2的排放量
4.根据权利要求1所述的一种城镇生活垃圾处理系统温室气体排放监测方法，其特征在于，所述队0的排放量
5.根据权利要求1所述的一种城镇生活垃圾处理系统温室气体排放监测方法，其特征在于，所述方法还包括对上游和下游的间接排放量进行监测，上游的间接排放量包括上游活动水平和排放因子相乘得到(X)2的排放量；其中，所述活动水平具体为运输垃圾过程中所消耗的能源消耗量和耗电量；下游的间接排放量包括从输出的电量上对(X)2的减排量进行监测，具体为生活垃圾处理后对外输出的电量乘上当地发电的(X)2平均排放系数，所述当地发电的(X)2平均排放系数为基准线排放因子，为电量边际排放因子和容量边际排放因子的加权平均。
全文摘要
本发明公开了一种城镇生活垃圾处理系统温室气体排放监测方法，本发明通过对甲烷气体和垃圾组分进行监测，对垃圾成分、可降解有机碳含量、垃圾填埋气体中的CH4比例和半衰期等进行修订，重点提出不同条件下上述参数的选择原则，对现场仪表与上位机工作站进行联系，可实时更新数据；本发明降低了监测的成本，监测结果稳定并且核算的准确性较高。
文档编号G01D21/02GK102494722SQ201110413530
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者何彧, 王媛, 颜蓓蓓 申请人:天津大学