双碳目标下的氨燃料航空动力研究进展及展望

为了获得氨燃料航空动力应用潜力评价,本文综述了氨燃料的绿色制取方法、氨燃料燃烧特性的研究成果以及氨航空发动机设计过程中可能存在的技术问题和相应的解决方案。综合已有研究成果,本文认为氨燃料航空发动机具有非常广阔的应用前景,采用氨氢混合燃烧在未来有望成为氨燃料航空动力系统的优选方案。

适用可再生能源不确定特性的合成氨多稳态柔性工艺技术

双碳背景下,风光可再生能源发电是能源发展的重要方向,“绿氢”由于其长周期存储和零碳特征,可以有效解决风光电力消纳的难题,有望与电能一同成为未来能源体系的两大支柱。但是由于氢气自身特性和氢脆造成的材料瓶颈,“绿氢”发展遇到制储运多环节安全性与经济性挑战。绿电制氢制氨的“电制绿氨”路径被认为是解决“绿电”“绿氢”技术经济困局的重要途径之一。针对风光资源的不确定性,分析了基于合成氨“哈-博”工艺多种解决方案的优劣,提出了多稳态柔性“电制绿氨”工艺模式以解决“源网氢氨”复杂技术特征耦合下的设计、装置和运行问题;研究了多稳态柔性“电制绿氨”工艺的系统性技术架构、整定经济运行负荷与运行周期的最优化方法;开发了电氢氨一体化数字仿真模型,计及电力约束、资源波动、氢氨需求、系统运行效率和可靠性等因素,对全场景、全流程下的“电制绿氨”进行协同优化,形成了一套面向动态运行的绿电耦合化工的设计方法;研究了催化剂结构性能调优与合成塔内件结构的优化方法,开发了复杂变工况条件的催化剂宏观动力学模型,以及电氢氨一体化协同调度与智能控制技术。多稳态柔性“电制绿氨”工艺实现了合成氨经济运行负荷在30%~110%,负荷调节速率在0.5~1.0%/min,支持日、班,及班内多时域负荷调节要求,30%~110%负荷运行下单位合成氨综合能耗均优于GB 21344—2015《合成氨单位产品能源消耗限额》的标杆值。

合成氨行业发展趋势和绿氨成本竞争力分析

综述了我国合成氨行业发展历程,原料和消费结构的演变;分析了合成氨行业发展形势及下游产业链、新兴消费领域等的情况;在此基础上,着重对国内绿氨成本竞争力进行了分析;指出,未来绿氨竞争力的核心主要在降低风光电成本、构建低成本储运系统、开发绿色应用场景等三方面。

玉米基肥期农田土壤氨挥发量与近地表氨浓度相关性研究

农田氨排放量与近地表氨浓度密切相关,但两者能否相互转换还缺乏系统研究。基于此,以近地表氨浓度经典方法(被动法)为主要使用方法,以传统海绵法为对照方法,在豫南砂姜黑土开展5种典型施肥处理玉米季基肥期氨排放量与近地表氨浓度的相关性研究。结果发现,不同施肥处理的氨挥发峰值均出现在施肥后的2-4 d,第5天开始显著降低,第8天之后基本与对照无明显差异;不同处理的氨累计排放量差别较大,排序为TR>OPT>SOPT>HK>CK,累计排放量分别为7.68、5.48、3.37、2.78和0.22 kg·hm^(-2);同时发现,不同施肥处理近地表氨浓度也有相同趋势,峰值同样出现在施肥后的2-4 d,第5天开始显著降低,平均氨质量浓度排序为TR>OPT>SOPT>HK>CK,均值分别为17.5、11.6、10.7、8.21和1.70μg·m^(-3)。线性相关性分析表明,施肥后前8 d不同施肥处理的氨挥发量与近地表氨浓度的线性相关性较强,而8 d之后两者的相关性较弱,说明近地表氨浓度和农田氨挥发量的相关性与农田氨挥发量的高低有关。除此之外,不同方法中被动法对低施氮量和缓释肥的估算优于排放因子法,而排放因子法对高施肥条件下氨挥发量的估算优于被动法。整体而言,被动方法估算氨挥发量的相对误差介于-15.9%-17.5%之间,排放因子法相对误差介于-54.3%-81.8%之间,被动方法明显具备更高的估算精度。以上结果说明,被动方法可以潜在替代传统氨监测方法估算大区域农田氨挥发量,但估算精度主要集中在高氨排放期。

氨气/甲烷无焰燃烧污染物生成特性的实验研究

为了深入了解氨气/甲烷无焰燃烧的污染物生成特性,本文在改进的旋风无焰燃烧炉中通过实验研究了氨气/甲烷燃料组成、当量比(φ)、热负荷(P)以及空气预热温度(Tin)对炉膛温度以及污染物排放的影响.研究结果表明:随着氨气热值比例的升高,炉膛温度和NO_(x)排放均是先升高后降低,并在中等掺氨比附近取得温度和排放的峰值.在相同条件下,纯氨和氨气/甲烷无焰燃烧都在理想当量比附近时取得最低排放.热负荷和预热温度的升高会提高炉膛温度造成NO_(x)排放的升高,热负荷的升高不利于控制氨逃逸,但预热温度的升高有利于降低氨逃逸.

可再生能源合成绿氨研究进展及氢-氨储运经济性分析

可再生能源和氢能产业快速发展,氨作为储氢介质,因其能发挥长时储氢和长距离运氢的作用,受到广泛关注。化石燃料制氢合成氨工艺成熟,但二氧化碳排放强度大。绿氨以可再生能源电解制氢作为氢源,具有减少合成氨产业碳排放、消纳风光等可再生能源、充当储氢载体易于储运等优势,在碳达峰碳中和的目标下,开发绿氨合成工艺具有重要意义。本文总结了工业Haber-Bosch法合成氨、电化学、光催化、等离子体和化学链合成氨取得的研究进展及面临的挑战,阐述了可再生能源电解制氢合成氨工艺的技术路线和发展现状,对比了煤制灰氨和可再生能源制绿氨工艺的技术经济可行性,分析了电价、电解制氢能耗等因素对电解制氢合成氨成本的影响,论述了分别以氨为载体储氢和储存液氢的成本构成,研究了分别以氨为载体运氢和运输气氢的成本,提出了对绿氢合成绿氨、以绿氨为载体储运氢产业发展的思考。

农田土壤好氧氨氧化和甲烷氧化交互作用机制的研究进展

从农田土壤生态系统中硝化和甲烷氧化的研究意义、氨氧化和甲烷氧化的功能微生物演替规律,以及二者交互作用机制三个方面综述了现阶段取得的主要研究成果,并进一步阐述了土壤碳氮元素生物地球化学循环机制研究的科学问题和面临的挑战。未来研究应充分利用学科交叉,结合宏观结果和土壤微观动态过程,揭示土壤中不可培养微生物代谢能力及其在土壤生物地球化学循环中的重要作用,逐步实现对土壤生态过程的预测和调控。

用于氨水电解的自支撑Ni_(4)Cu_(1)Co_(x)/CC氨氧化电极研究

氨作为一种零碳能源载体,由于其较高的体积比能量和氢含量,被视为一种理想的氢载体。以氨作为燃料,通过电解的方式结合氨氧化反应,可以实现氨到氢的高效转化。以碳布为基底,采用电沉积法制备了一系列Ni_(4)Cu_(1)Co_(x)/CC一体化自支撑电极。通过扫描电子显微镜、X射线衍射和X射线光电子能谱等物理表征证明了材料的合成,通过循环伏安测试、电化学阻抗测试和计时电流测试等电化学测试以及氨水电解池测试证明了Co的掺杂能够提高氨氧化性能,并在氨水电解池中测试了其电解氨水性能。

具有高浓度氨腔室的立式热再生氨电池性能特性

热再生电池(thermally regenerative ammonia-based battery,TRAB)可有效地将低温热能转化为电能,但其较为严重的氨渗透现象严重影响电池的产电稳定性。本文通过可视化证明了TRAB阳极氨与电解液的自分层现象,基于此构建了一种具有高浓度氨腔室的立式热再生氨电池,通过构建高浓度氨腔室和阳极氨传输阻挡层来调控氨分布,从而缓解电池中氨渗透过程。研究结果表明,与常规结构的热再生氨电池相比,具有氨腔室的热再生电池通过调控阳极氨分布解决了氨渗透的问题,在较高氨浓度(6mol/L)条件下获得了更高的输出功率、产电量以及更稳定的产电性能。此外,多孔泡沫铜阳极可以阻挡氨向下传输,进一步缓解氨渗透。具有合适孔隙密度(80PPI)的多孔电极在获得较大反应面积的同时保证了其内部良好的物质传输,使电池获得最佳的输出功率(10.8mW)。

亚热带森林转换对土壤氮转化关键功能微生物群落的影响

近年来,由于林地开发和商品林建设等原因,我国亚热带地区大量天然林和次生林经皆伐改造为林分结构简单、树种单一的人工林。氮(N)素是维持森林植被生长和系统初级生产力的重要因子,土壤微生物驱动了森林土壤N转化的关键过程。然而,目前亚热带森林转换对土壤N转化微生物群落的影响仍不清晰。以湖南芦头森林生态系统国家定位观测研究站内典型次生林(CS)及由其转换而成的油茶(YC)、黄桃(HT)、杨梅(YM)和杉木(SM)四种人工林为研究对象,采用实时荧光定量PCR和高通量测序等方法,研究了各林分土壤性质、固N菌和氨氧化微生物功能基因丰度、群落特征及相互关系,旨在探讨亚热带森林转换后土壤N转化关键过程(固N和氨氧化作用)的功能微生物群落变化及驱动因素。结果表明:森林转换显著改变了土壤碳(C)、N含量,降低了土壤nifH基因丰度、固N菌和氨氧化细菌的群落α多样性,但提高了氨氧化微生物amoA基因丰度和氨氧化古菌的群落α多样性;并且,森林转换通过改变各功能微生物优势菌群(如变形菌、蓝细菌、泉古菌和奇古菌等)的相对丰度,显著影响了土壤固N菌和氨氧化微生物的群落组成;冗余分析和结构方程模型表明,土壤有机碳、全氮、铵态氮含量和pH是驱动土壤固N菌和氨氧化微生物群落变化的关键因素。森林转换后,合理的施肥方式有利于人工林土壤固N菌和氨氧化微生物的群落恢复。研究结果为转换后单一人工林土壤养分恢复、生产力的提高和可持续经营提供了科学依据。

氮源添加对重金属污染土壤氨氧化微生物的影响

矿业活动导致矿区土壤养分流失、土地退化,土壤生态系统敏感且脆弱,恢复过程复杂。其中土壤氮素缺乏是限制该生态系统恢复的主要因子之一。为探讨矿区土壤氮素恢复机制,以广西柳州泗顶矿区重金属污染土壤为研究对象,通过土壤培养实验,采用高通量测序结合荧光定量PCR技术,系统研究了氯化铵(38.114 g∙m^(-1)∙a^(-1)(高浓度)、9.54 g∙m^(-1)∙a^(-1)(低浓度))和尿素(21.43 g∙m^(-1)∙a^(-1)(高浓度)、5.36 g∙m^(-1)∙a^(-1)(低浓度))在不同添加频次(添加12次∙年-1(高频率)和2次∙年-1(低频率))下,对土壤氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)丰度、多样性和群落组成的影响。结果表明,各施氮模式下,amoA-AOB基因丰度显著高于amoA-AOA基因丰度,其丰度范围为(1.56×10^(7)±0.01×10^(7))-(3.58×10^(7)±0.03×10^(7))copies·g^(-1)(氯化铵)和(5.31×10^(7)±0.02×10^(7))-(14.85×10^(7)±0.04×10^(7))copies·g^(-1)(尿素)。AOA群落的ACE、Shannon和Simpson指数均值分别是AOB群落的13.2、1.41和0.627倍,AOA的α-多样性更容易受到不同施氮处理的影响。AOA在门水平上的优势菌门为奇古菌门(Thaumarchaeota)和泉古菌门(Crenarchaeota);在属水平上的优势菌属为亚硝基球菌属(Nitrososphaera)。AOB在门水平上的优势菌门为变形菌门(Proteobacteria);在属水平上的优势菌属为亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和亚硝化弧菌属(Nitrosovibrio)。相关性分析表明土壤有效磷是影响amoA-AOB基因丰度的关键因素(p<0.01)。冗余分析表明,微生物量氮是引起AOA群落组成改变的主要因子;而土壤脲酶活性是引起AOB群落组成改变的主要因子。添加氯化铵和尿素使土壤氨氧化潜势和总硝化潜势增加,分别是对照的1.15-3.03倍和2.15-8.55倍,AOB主导土壤中的氨氧化和硝化过程。研究为明确矿区土壤氮循环变化规律,重建矿区土壤氮库提供了理论依据。

电催化分解液氨阳极材料的研究

氨是一种具有高储氢密度的化学储氢材料,通过氨氢转换可以实现能源的高效利用。氨分解产氢是氨氢转换过程的重要一环,在氨分解的途径中电催化直接分解液氨理论上具有最低能耗,若能有效降低液氨直接电解阳极的过电位,电催化分解液氨在氢经济中将具有广阔的前景。依次使用铜、钴、铁、钼、钒、钛、碳纸和304不锈钢作为液氨电解过程阳极材料进行线性扫描伏安测试、循环伏安测试、电化学阻抗谱测试和计时电位测试,以研究这些材料在2.0 mol/L NH4Cl的液氨溶液中的电催化活性和在高电流密度下的耐腐蚀性能。结果表明:钛作为液氨电解过程的阳极电催化活性很差;铜、钴和铁虽具有优异的电催化活性,但在正向电位下会发生严重腐蚀;304不锈钢虽具有优异的电催化活性,但在高电流密度下稳定性一般;碳纸电催化活性较差,但高电流密度下具有良好的稳定性,且活性表面积较大,适合作为液氨电解阳极催化剂基底材料;钼和钒电催化活性优于碳纸,在高电流密度下腐蚀率较低,可以作为液氨电解阳极材料。

与核反应堆耦合的新型制绿氨模型

氨气是高效氢能载体,可有效解决氢能载运过程中安全性和经济性难题。核能-碘硫热化学循环制氢是实现无污染大规模工业制绿氢的可行途径。目前对核能-碘硫热化学循环制氢的研究集中于核热耦合问题,未考虑氢气产生后的载运问题。基于此,提出一种核-氨-氢新模型。此模型首先进行核能制氢,再通过核热将其转化为氨气,优化核热的梯级利用并解决氢储运问题。通过Aspen Plus软件模拟全流程,分析能耗、效率和成本。

低碳氨燃料生命周期碳排计算和应用前景探究

文章梳理了低碳氨的燃料属性和特点,测算了目前技术水平下低碳氨生命周期碳排因子,对低碳氨与煤制氨的成本进行了分析,指出随着技术进步成本进一步下降,风光发电制低碳氨燃料经济性将逐步体现,未来具有发展空间。低碳氨生命周期碳排因子生产环节排放占90%以上,生产环节中碳排基本上是制氢和制氮用电导致,因此降低碳排主要方向是减少生产环节用电量和尽可能增加绿电使用量。

典型高碱煤灰对氨煤混燃中氨氧化反应特性的影响

氨能作为一种零碳燃料,取代部分煤炭混燃可有效降低电厂原有污染物排放,促进燃煤电厂向煤氨混燃电厂的转型。但由于氨能中含氮量过高,导致NO_(x)排放问题备受关注。在复杂的氨煤混燃过程中,有必要探索NO_(x)排放与煤灰之间存在的关联性。燃煤电厂中高碱煤作为一类开发应用前景广阔的煤种,其中高含量的金属氧化物对氨氧化反应的排放特性却鲜有研究。为探讨氨煤混燃过程中不同种类高碱煤灰对氨氧化反应排放特性的影响,通过搭建立式管式炉氨氧化反应试验平台进行变工况分析,对比不同温度下各类煤灰表面NH_(3)转化率及NO生成率两大指标,从试验结果和反应机理2个层面阐述了煤灰中各类金属氧化物对氨氧化反应排放特性的影响。结果表明:煤灰中主要金属氧化物CaO、MgO及Al_(2)O_(3)可促进氨煤混燃过程中煤灰表面气固氨氧化反应的进行,提高NH_(3)转化率。400~600℃,煤灰对NH_(3)转化率的促进作用依次为:HM-2>HM-1>CJ>AKS>EERDS,与煤灰中CaO含量由高到低的排列顺序对应,与MgO排序基本吻合。且这3类金属氧化物均可促进NH_(3)向NO定向转化,以CaO催化效果最显著,其中,Ca含量最高的HM-2对NO生成的选择性相较于空白组而言可提高67.86%。CaO和MgO可促进NH_(3)和NO在催化剂表面氧化,有利于N_(2)O快速产生,使N_(2)O生成温度提前,而Na_(2)O和Fe_(2)O_(3)的存在则抑制NH_(3)氧化,促进NH_(3)还原NO。

海水养殖尾水中NH_(4)^(+)-N去除技术的机理与工艺研究进展

总结了海水养殖尾水中NH_(4)^(+)-N的来源及特点,NH_(4)^(+)-N去除技术的机理与功能微生物、工艺应用及其微生物分布等,重点对海水养殖尾水中NH_(4)^(+)-N去除技术的机理与工艺应用进行了阐述。好氧氨氧化微生物主要包括氨氧化细菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)及全程硝化菌(comammox),厌氧氨氧化微生物主要包括厌氧氨氧化细菌(AnAOB)。基于好氧氨氧化微生物原理去除NH_(4)^(+)-N的主要工艺技术包括移动床生物膜反应器(MBBR)、曝气生物滤池(BAF)、人工湿地和生态塘等;基于厌氧氨氧化菌处理海水养殖尾水的主要工艺技术有厌氧流化床、厌氧固定床等。指出工艺应用与微生物种群结构之间关系的研究不足。富集氨氧化微生物从而实现经济高效脱氮是未来工艺研究的重点方向。

不同引燃方式下氨掺氢燃烧对发动机的性能影响

氨被认为是最有前景的零碳燃料之一,但掺氨量过大时氨逃逸现象严重,故将氨中掺混一定比例氢气,促进缸内燃烧反应进行,并将引燃柴油替换成氢气实现零碳燃烧。本文使用CONVERGE软件进行仿真,模拟了柴油引燃与氢气引燃时,氨掺氢对发动机燃烧和排放性能的影响。研究发现在柴油引燃时,当掺氢比为30%时与0时相比,缸内爆压、功率升高,燃油消耗率下降,氨逃逸占比下降,NO_(x)排放升高,CO_(2)零增长,soot、HC等排放改善;在氢气引燃时,当掺氢比为30%时与0时相比,缸内爆压、功率升高,燃油消耗率下降,氨逃逸占比下降,NO_(x)排放升高4倍,燃烧前后CO_(2)零增长,掺氢燃烧后改善了发动机整体性能,柴油引燃模式缸内直喷氨气掺混30%氢是实现净零碳排放较优方案。研究结果为氨燃料的实用性提供了依据,并可用于指导试验研究。

氨燃料管状SOFCs中热冲击影响与性能的模拟研究

研究氨燃料固体氧化物燃料电池(solidoxidefuel cells,SOFCs)热冲击的产生机理将会给电池的温度管理、可靠性管理及电池的性能优化提供更多可能性。但由于化学、电化学的反应过程复杂、模型仿真所涉物理场较多,鲜有关于氨燃料SOFCs的仿真研究。为此,该文通过建立耦合了吸热的氨气裂解反应、电化学反应、局部电流分布、温度分布以及物质流动的仿真模型,分析了单个阴极支撑的管状直接氨气裂解SOFCs的热冲击(热应力和热对流)形成机理。研究得出,过快且不均衡的氨气裂解反应是电池局部低温产生的主要原因,这会直接造成电池整体出现376K的温差。通过采用氨气预重整的方法能使氨SOFCs在相同操作电压下温度分布更均匀,平均温度更高,在800℃的环境温度下96%预重整的氨SOFCs能将阳极的温度极值差从62.16 K降为1.0 K,电池内部的温度分布得到显著改善。该研究可为氨燃料SOFCs的热管理优化提供重要理论依据,此外,该文详细展示的氨燃料SOFCs耦合模型的建模方法可以为用其他富氢气体做燃料的SOFCs的模拟仿真研究提供思路。

绿氢-绿氨工艺流程的多稳态模拟和动态响应

绿氢-绿氨工艺是指利用可再生能源发电、电解水制氢得到的氢气为原料合成氨的工艺流程,其具有受天气条件影响、负荷波动大、工段间耦合性强的特点。为研究绿氢-绿氨工艺流程中发输变电、电解水制氢、储氢、电化学储能、合成氨等工段之间的系统集成和协同调度方案,利用新一代流程模拟软件AVEVA Process Simulation建立了稳态-动态双模式通用型绿氢-绿氨全流程工艺模型,并通过多稳态模拟的手段分析了系统对天气变化的动态响应。结果表明,合理设计和调度储氢和储能单元不仅可以显著稳定化工生产、合理消纳可再生电力,还能稳定网电补充,提高整体经济效益。

天然气化工副产氢的氢能应用及氢-氨融合发展分析

天然气化工副产氢从传统的化工利用转化为氢能应用,可实现副产物提质升级,并有利于氢能产业发展。天然气化工生产的羰基合成气、乙炔尾气经过分离提纯制得高品质氢,并可将其创新性地应用于氢燃料电池汽车。提出了天然气化工副产氢经提质可成为多种符合国家标准技术要求的高品质氢,满足工业、交通、能源和建筑用氢等应用需求,以拓展氢能应用领域。针对当前氢能存在储运瓶颈及成本制约影响其大规模应用的难题,提出了天然气化工企业将该副产氢合成液氨,利用液氨作为储氢介质、零碳燃料的特性以及液氨相比气氢、液氢储存的明显优势,以氢-氨融合的方式进行转化应用,并分析了液氨在传统燃料、氨燃料电池和氨催化裂解制氢等应用场景及发展前景。天然气化工副产氢可突破传统的化工用途,向具有良好发展前景的氢能应用转化,在新能源领域发挥积极作用。