安全壳隔间壁面冷凝诱发的氢气分层行为研究

为了评估安全壳隔间冷壁附近的蒸汽冷凝对氢气聚集风险的影响,本研究采用数值模拟的方法对局部隔间内含氢混合气体的迁移和聚集现象开展分析。结果表明,在足够高的氢气和蒸汽浓度条件下,蒸汽冷凝会诱发近壁区的混合气体形成浮力流。当隔间内释放气体的Fr小于临界值时,高浓度的氢气会在近壁区浮力流的驱使下聚集于隔间顶部;反之,隔间内的氢气会被混合均匀。当冷凝诱发浮力流的组分浓度被满足,蒸汽冷凝会增强安全壳局部隔间内高浓度氢气聚集的稳定性,隔间内氢气分层所需的临界Fr明显高于无冷凝条件。本文研究结论可为核电站严重事故下的氢气安全行为提供理论参考。

大功率PEMFC氢气系统建模与仿真

针对大功率车用燃料电池发动机的氢气系统进行建模,基于MATLAB/Simulink平台搭建氢气系统核心部件模型及其控制模型,并集成氢气系统整体模型,基于该模型进行2种常见汽车行驶工况—CLTCP和NEDC工况的动态仿真,结果表明,所建控制模型能较好保证阳极入口压力满足工作压力需求,并将阴极和阳极的压差维持在0.02 MPa,2种工况的氢气利用率分别为99.67%和99.76%,表明该模型可以用于大功率车用PEMFC系统开发。

全球天然氢气勘探开发利用进展及中国的勘探前景

在全球能源脱碳背景下,天然氢气作为一种一次能源,因其零碳、可再生的优点而备受关注,但中国目前还未开展专门针对天然氢气的勘探工作。通过介绍全球已知高含量天然氢气(体积分数大于10%)气藏的主要形成地质环境及成因类型,系统总结了天然氢气富集的有利地质条件,并结合国外天然氢气的勘探开发现状,评价了中国天然氢气的勘探前景。研究结果表明:(1)全球高含量天然氢气主要发育于蛇绿岩带、裂谷和前寒武系富铁地层中,且以无机成因为主,富铁矿物的蛇纹石化过程是天然氢气最主要的成因来源,其次为地球深部脱气和水的辐解。(2)优质的氢源与良好的运移通道是氢气富集的前提,而盖层的封盖能力是天然氢气能否成藏的关键要素;天然氢气作为伴生气时,传统盖层对其具备封盖能力,但当其含量较高时,传统盖层可能难以形成有效封盖;裂谷环境、蛇绿岩发育区以及断裂发育的前寒武系富铁地层是富氢气藏的勘探有利区。(3)国外多个国家和地区已制定了天然氢气的勘探开发和利用计划,其中,马里已实现天然氢气的商业开采,美国、澳大利亚也已成功钻探天然氢气勘探井。(4)中国高含量氢气区与富氢地质条件高度匹配,天然氢气勘探前景良好,郯庐断裂带及周缘裂陷盆地区、阿尔金断裂带及两侧盆地区、三江构造带—龙门山断裂带及周缘盆地区的天然氢气勘探潜力较大;中国应尽快开展天然氢气普查工作,加强氢气成藏过程研究和潜力评价,并进行勘探技术、开采分离技术和储运技术的攻关,为天然氢气的大规模开发利用做好技术储备。

室内空间车载高压储氢气瓶泄漏扩散数值模拟分析

为了研究氢能汽车储氢装置在室内车库发生意外泄漏时氢气的聚集特性,使用虚喷嘴模型联合高压容器泄漏动力学模型建立了高压储氢气瓶的泄漏参数计算方法,并利用Matlab计算得到了容积为120 L、储存压力为70 MPa的储氢气瓶泄漏时瓶内压力、泄漏流率等参数的变化,并将其作为边界条件反映在Fluent数值模型中,建立了车载高压储氢气瓶氢气泄漏扩散的数值模型,模拟研究了储氢气瓶在不同泄漏孔大小、泄漏车辆停放位置和泄漏口气体流动状态三因素的影响下,室内空间氢气浓度分布情况。研究结果表明:①在储氢气瓶泄漏过程中,空间内可燃氢气云团体积会出现峰值,随后逐渐减小,泄漏孔径越大,空间内氢气体积越大,聚集时间越长;②在车库角落处发生泄漏时,氢气云团平均浓度最高,氢气体积最小;③泄漏口氢气为浮力主导时,氢气在天花板处呈圆弧形扩散,有利于氢气传感器的布置和泄漏源的定位,泄漏口氢气为动量主导时,空间内氢气体积最大,并且大量氢气聚集于车辆底盘下方。

海底氢气成藏模式与全球分布

氢能是一种清洁、高效、零碳的顶极能源。天然氢的形成和运聚与板块构造活动密切相关。地球作为整个太阳系已知唯一发育有板块构造和表面存在液态水的岩质星球,具备地球脱气、蛇纹岩水岩反应、水辐射分解等独特的地质生氢路径。占据现今地球表面面积2/3的海底,发育洋壳甚至有地幔物质的直接剥露,具备蛇纹石化形成天然氢的巨大潜力。海底天然氢有沿微板块边界的大量氢气产出机制和海底裂缝导致的海底渗透型的另类机制,现今海底微板块边界、洋底高原、海底裂隙系统、沿超慢速-慢速洋中脊和非火山型被动陆缘出露的微幔块都是寻找天然氢的有利目标,南海东北陆缘的“陆壳裂洞”也十分值得关注。由于不同构造环境的天然氢的形成和储存条件存在较大差异,天然氢在生成、运移和存储等方面存在多样性和差异性,因此难以建立一套统一的氢气成藏模式,也无法精准确定潜在资源量。已有的氢气显示和预测的有利生氢场所,能否成藏、成藏机制如何以及如何开发利用,也依然是未来需要探索的问题。

非洲马里气田天然氢气井勘探案例介绍及全球天然氢气勘探进展

为了促进中国天然氢气藏的勘探和开发,推动天然氢气分布、富集机制以及成藏条件等方面的研究,基于文献调研剖析了非洲陶德尼盆地马里天然氢气勘探实例,同时介绍了全球天然氢气勘探进展。研究表明:马里氢气田的氢最可能的来源是西非克拉通Leo-Man地盾2.2~2.1 Ga岩石的活跃蛇纹石化作用,是岩石中的二价铁与水反应的产物。该氢气田发育两种类型的储层:上部储层为白云质碳酸盐岩,其中氢气主要以游离态存在;下部储层为砂岩,氢气主要以溶解态存在。氢气主要沿着断裂从氢源运移到储层,并在辉绿岩盖层的封闭下成藏。全球从事天然氢气勘探的公司数量已从2020年的3家增加到2023年的40家,多个国家已经开始发放氢气勘探许可证,但总体而言天然氢气的勘探和开发还处于起步阶段,成功案例较少,需要加强科学探索和技术突破。

Pd-ZSM-5复合膜的制备及其氢气分离性能

为了能够在大孔氧化铝载体表面得到透氢性能良好的钯膜,利用二次生长法在多孔Al_(2)O_(3)载体上生长出一层连续完整的ZSM-5沸石分子筛修饰层,通过化学镀过程在ZSM-5沸石分子筛修饰的载体上沉积一层钯膜,从而得到Pd-ZSM-5复合膜。利用扫描电子显微镜(SEM)对载体、ZSM-5沸石分子筛修饰后的载体和Pd-ZSM-5复合膜的形貌进行详细分析,并通过X线能量色散光谱(EDX)对Pd-ZSM-5复合膜的表面和截面元素分布进行了研究。而且,为了确定该Pd-ZSM-5复合膜的H_(2)渗透性能,在623~773 K范围内,研究了操作温度、操作时间和测试压力对Pd-ZSM-5复合膜透氢性能的影响。研究结果表明,ZSM-5沸石分子筛修饰层能够有效改进载体的表面粗糙度和降低其表面孔径,有助于Pd膜的沉积。所制备的Pd-ZSM-5复合膜表面完整、致密,Pd膜层厚度约为5μm, ZSM-5沸石修饰层厚度约为3μm。当操作温度为773 K、渗透压力为0.1 MPa时,Pd-ZSM-5复合膜的H_(2)渗透通量和H_(2)/N_(2)渗透选择性分别为0.113 mol/(m·s)和468。而且,该Pd复合膜在773 K下,连续操作300 h后,其H_(2)渗透性能保持相对稳定。

开敞空间氢气爆炸特性数值模拟研究

为研究开敞空间氢气爆炸危害,基于Fluent流体力学计算软件建立开敞氢气-空气爆炸的三维数值模型,在此基础上,模拟和分析了边长为0.5、1.0、2.0、3.0 m的立方体预混氢气-空气爆炸,并将数值模拟结果与TNO多能法和BST法的爆炸强度等级进行对比。结果表明,火焰传播距离约为初始氢气半径的2倍。爆炸最大压力出现位置的无量纲距离与气云初始半径近似成线性关系。TNO多能法和BST法爆炸强度等级的选择应根据气云初始尺寸的增大而增加。

无机成因天然氢气的形成机理与中国天然氢气资源潜力分析

作为化石燃料的理想替代品,氢气被视为实现全球能源转型的重要资源。当前,所有人工制备的氢气成本过高,难以与化石燃料带来的经济效益竞争,唯有天然氢气(即金氢)能够为氢气经济提供具有成本效益的动力。天然氢气是一种无碳、可持续利用的资源。地下不断生成的天然氢气渗透到地表的现象,也暗示着地下存在更大的氢气储量。然而,目前对天然氢气的研究尚处于初期阶段,因此天然氢气研究的核心将集中于探索天然氢气的成因机理及其资源潜力评价。在综述现有研究的基础上,概述了无机成因天然氢气的3种主要赋存状态,包括游离态氢、包裹体中的氢和水中的溶解氢。基于现有理论和已发现的天然氢气特征,从深源氢、蛇纹石化作用、水的辐解作用和岩石破裂产氢4个方面总结了无机成因天然氢气的形成机理;并通过对比这4类天然氢气的生氢能力,探讨其能源潜力。在生氢机理与地质富集条件相结合的基础上,通过分析中国已发现天然氢气的地点,总结并预测了可能具有天然氢气藏的地区,为中国天然氢气的发展与探索提供战略指导。

顶空气相色谱法测定氢气纳米气泡水中的总氢含量

氢气纳米气泡在环境修复、能源燃料和医疗健康等领域具有广泛的应用前景。目前氢气纳米气泡水中总氢含量的测定方法还相对有限,无法准确评定相关发生设备的性能。顶空气相色谱法通过加热使顶空瓶内体系达到气液平衡的方式将水样中的氢气转移到气相中,利用气相色谱仪来测定氢气纳米气泡水中的总氢含量。结果表明:样品的最佳平衡温度为50℃,平衡时间为15 min。通过对氢气纳米气泡水中氢气纳米气泡的数量浓度及粒径分布的检测,证实了该顶空气相色谱法适用于大多数纳米气泡产生方式所制备的氢气纳米气泡水体系,即氢气纳米气泡数量浓度范围为106~108个/mL,平均粒径范围为100~300 nm。当氢气纳米气泡数量浓度为6.7×10^(6)~3.8×10^(8)个/mL时,对应测得的氢含量为0~3.12 mg/L,氢气纳米气泡数量浓度与对应氢含量变化一致,且能在2 min内完成检测。该方法简单高效,可以满足不同数量浓度氢气纳米气泡水的测试要求,为测定氢气纳米气泡水中总氢含量提供了可行的选择,有助于进一步研究氢气纳米气泡在各领域的重要应用并进行发生设备的性能评价。

车用液氢气瓶快充过程数值研究

车用液氢气瓶加注过程中,因加注速度快且气瓶容积小,极易造成过充现象,导致安全事故发生。针对设有气包防过充装置的车载液氢气瓶建立三维对称模型,采用CFD方法对气瓶快速加注过程开展数值仿真。分析了开孔孔径、加注速率、初始充满率和防过充装置容积对防过充装置性能的影响规律。结果表明:开孔孔径是影响防过充装置性能的主要因素,其限制了液体的流通能力;采用6 mm孔径和初始充装量为50%的状况下,充装结束后气瓶都将过充,最大充装率可达98.4%;采用大容积的防过充装置可以为气瓶预留更多的气相安全空间,但同时也会导致充装量不足等问题,当防过充装置容积为100 L时,最终充装量仅有77.2%。

加氢站氢气泄漏扩散特性的小尺寸实验与模拟研究

为探究泄漏量、环境风速对加氢站内氢气泄漏扩散的影响,使用氦气代替氢气,开展小尺寸风洞实验与数值模拟研究,分析泄漏量、环境风速对氢气泄漏扩散特性的影响规律。研究结果表明:下风向有障碍物存在时会导致其附近风速降低,泄漏气体的扩散距离反而增大;在垂直于风向的水平方向上,气体扩散距离受到泄漏量和风速的影响较小,在高度和风向方向上,气体扩散距离大致与泄漏量和风速比值的均方根成正比;可燃区域体积大致与泄漏量成正比,与风速成反比;通过相似原理得到全尺寸加氢站氢气扩散距离和可燃区域体积的计算公式,其计算值与全尺寸模拟结果相符合。研究结果可为加氢站事故预防提供一定参考。

煤岩吸附氢气特征及其地质意义

氢气有望成为接替化石能源的重要清洁能源类型,可以减少全球温室气体排放,但是规模化的氢气产业需要大型的储库来储存氢气,利用地下储层储集大量氢气已成为一条新的思路。以中国鄂尔多斯盆地、沁水盆地及宁武盆地石炭—二叠系山西组及太原组11个不同变质程度煤岩样品为研究对象,利用氢气等温吸附实验,结合朗格缪尔模型、比表面积和总孔体积评价了煤岩吸附氢气量,结合煤岩煤质、有机地化、矿物及孔隙结构特征对煤岩吸附氢气机理进行了探讨。研究表明:朗格缪尔模型适用于模拟煤岩吸附氢气潜力计算与评价,不同变质程度煤岩均具有较高的氢气吸附量,且变质程度越高、有机质丰度越高、微孔越为发育的煤岩,其氢气吸附量越高。煤岩中的氢气主要通过范德华力被物理吸附在煤岩表面,随着煤岩变质程度升高,有机质参与形成的微孔越多,提供的孔体积及总比表面积逐渐增加,提高了氢气吸附量,且较高的孔隙连通性可以提高氢气进入孔隙并被吸附的效率。煤岩吸附氢气量会随压力增大而增大,但由于分子间斥力等原因,吸附速率逐渐下降,氢气储存逐渐达到饱和。中国深部煤层较为发育,为煤层储氢提供了良好的基础,但由于化学反应、竞争吸附等问题,氢气在煤岩储层中会发生损耗和散失。利用高压进行氢气封存或采出氢气会对煤岩储层结构产生不可逆破坏,这对于通过煤岩储层进行氢气的一次或多次储存都存在不利影响。变质程度较高的深部煤层作为储氢层位具备一定潜力,但仍需进一步研究以克服氢气损耗和储层破坏等关键问题。

氢气储运技术发展及展望

首先综述氢气储运技术的发展现状,包括氢气气态储运、液态储运、固态储运及混合储运四大技术;然后基于美国能源部车载储氢指标要求,对比不同储氢技术综合性能,并总结既有氢气运输方式的优缺点;最后对氢气储运技术未来研究方向提出5点建议。总体而言,在氢气储存领域,当前的研究重点应集中在综合性能优越的新型储氢气瓶和混合储氢技术上;而在氢气运输方面,天然气掺氢运输和液氢运输则分别是当前和未来的重要研究热点。

基于等离子体气化的医疗垃圾制备氢气/甲醇系统性能分析

为实现医疗垃圾无害化、减量化和资源化处理,提高医疗垃圾的能质利用效率,提出基于等离子体气化的医疗垃圾制备氢气/甲醇系统,其中产氢系统(方案A)将医疗垃圾转化为氢气;产氢气和甲醇双燃料系统(方案B)将医疗垃圾转化为氢气和甲醇。所有方案均采用30 t/d等离子体气化炉,并从热力学和经济学角度评估和比较综合效益。结果表明,方案A和方案B的流程效率分别达到70.07%和67.96%,但由于废气的循环利用,方案B的系统?效率比方案A高出2.19个百分点。相较于方案B,方案A的动态投资回报期更短(为4.40 a),净现值相对更高(为25556.62万元)。

渤海湾盆地沾化凹陷BYP5导眼井古近系沙河街组三段下亚段岩心富氢气逸散气特征及其地质意义

BYP5导眼井是为探索渤海湾盆地沾化凹陷渤南深洼带较高热演化区古近系沙河街组三段下亚段(沙三下亚段)含油气性而部署的一口取心井,取心段深度介于4267.0~4338.1 m。为揭示取心段含油气性特征,开展了典型样品冷冻密闭碎样热解和岩心逸散气的收集定量与组分分析。研究结果认为:取心段总体是一套富有机质、富碳酸盐矿物的优质烃源岩,成熟度(Ro)约1.2%,热演化过程中应曾发生了高效生排烃作用,导致其现今游离烃(S1)和氢指数(IH)均较低;岩心逸散烃气含量总体不高,主要介于0.001~0.01 cm^(3)/g,均值为0.005 cm^(3)/g,逸散烃气相对高值段与热解游离烃(S1)相对高值段基本一致;逸散气组分主要由CH_(4)、CO_(2)、H_(2)、C_(2)H_(6)组成,其中H_(2)摩尔百分数介于1.08%~19.23%,平均7.09%,具有富氢气特征。H_(2)与CO_(2)具有明显正相关性,与CH_(4)具有明显负相关性;逸散气应属原位滞留的气体,氢气的形成可能与有机质热解过程中异质键的裂解和去甲基化作用有关,建议加强有机质热裂解成因天然氢气的形成机制、地质勘查与评价研究,为该类型天然氢气的勘探部署决策提供依据。

砂岩型铀矿找矿中土壤氢气测量方法影响因素研究

放射性元素衰变过程中水辐解会产生大量氢气,而氢气质量轻、迁移快的特点使其在地表就能够被探测到异常,进而能够指导铀矿找矿工作。在已知的巴音戈壁盆地塔木素砂岩型铀矿床、二连盆地巴润砂岩型铀矿床和图门勘探区开展了土壤氢气测量试验研究,从测孔深度、孔闲置时间、测量点距、气体动态平衡情况、最佳采集时间等方面分析了土壤氢气测量方法对铀矿勘查的影响,经与已知地质资料和钻孔资料对比分析得出结论:铀矿化程度、厚度及埋深情况与地表氢气浓度异常呈正相关关系,矿化程度越高、厚度越大、埋深越浅则土壤氢气浓度越高;断裂构造上方均有较好的土壤氢气异常显示,且土壤氢气浓度异常受断裂宽度、断裂含矿或不含矿等因素影响较大;总结了一套有效可行的土壤氢浓度采集方案和工作方法,为铀矿找矿工作提供了新思路和新方法。

不同海拔下氢气/柴油双燃料发动机燃烧与排放特性研究

基于大气模拟综合测试系统,模拟0 m、1 000 m和2 000 m海拔的大气压,对不同海拔下氢气/柴油双燃料发动机燃烧与排放特性进行研究。研究结果表明:不同海拔下,随着氢气替代率增加,预混合燃烧增强,缸内燃烧速度加快,缸压峰值升高,其对应相位提前;碳烟和CO排放先下降后上升,NO_(x)排放增加,CO_(2)排放减少。随着海拔上升,过量空气系数减小,有效热效率降低。转速为1 600 r/min时,随着海拔高度升高,预混合燃烧减弱,发动机缸压峰值下降,其对应相位推迟;CO排放最低时,与0 m海拔比较,海拔上升至1 000 m、2 000 m,碳烟排放分别增加44.44%和127.78%,CO排放增加8.95%和16.86%,CO_(2)排放增加4.34%和16.86%,碳烟和CO_(2)排放增幅随海拔增加而上升。转速为3 000 r/min时,随着海拔高度上升,缸压峰值略有升高,缸压峰值对应相位提前,预混合燃烧增强;碳烟、NO_(x)、CO和CO_(2)排放升高,排放增幅随海拔升高而增大。与海拔0 m比较,当碳烟排放最低时,海拔上升至1 000 m、2 000 m,碳烟排放分别升高18.67%和56.04%,NO_(x)排放分别上升14.78%和38.40%,CO_(2)排放分别升高7.29%和15.80%;CO排放最低时,海拔上升至1 000 m、2 000 m,CO排放分别上升24.53%和62.87%。

计及氢气注入与压缩因子的综合能源系统能流计算

为实现“双碳”目标,综合能源系统(integrated energy systems, IES)成为了近几年的重要研究方向之一,然而传统的IES能流计算已经无法精确地反映电制气(power-to-gas, P2G)技术带来的氢气注入天然气网络后的混合燃气的参数变化对IES的影响。为此,在传统天然气系统稳态分析方法的基础上加入了SRK(Soawk-Redlich-Kwong)气体状态方程,将压缩因子作为状态变量,提出可以反映氢气注入天然气系统,对气体流量和混合燃气热值产生影响的稳态分析方法。以此为基础,提出了计及氢气注入与压缩因子的电-热-气IES能流分解求解计算方法。最后通过算例验证了所提方法可有效反映混合燃气的参数变化对IES的影响。

氢气喷射火特性教学实验设计

安全是氢气大规模使用的前提。为了研究氢气喷射火特性,自主搭建了喷射火实验系统,开展氢气喷射火特性实验研究。实验分析了氢气喷射火流量、火焰形状、中心温度及辐射场的变化随压力的变化规律。其中,对于火焰形状的分析,采用将图像转化为二值图的方法得出。结果表明,当压力降低16.95%时,火焰长度下降13.29%,火焰高度下降7.29%;压力保持1.02 MPa时,随着距离增加,中心温度平均减少70.10%;距离喷射口所在平面1.5 m处,辐射强度平均减少18.43%。通过氢气喷射火实验得出氢气意外泄漏下周围温度场、辐射场变化情况,可为实现氢气安全利用提供借鉴。