甲醇水蒸汽重整制氢装置及系统研究进展

氢能具有高热值、无污染的特性,是21世纪新兴发展能源之一,规模化消纳转化可再生能源新思路“液态阳光”的提出,使甲醇重整制氢能源供应体系受到广泛关注。甲醇水蒸汽重整制氢工艺因反应温度温和、产物中氢气浓度高而成为最具有商用前途的制氢方式之一。甲醇水蒸汽重整反应为吸热反应,不同供热方案形成了多样化制氢技术。该文以甲醇水蒸汽重整制氢所需热量来源为牵引,综述自热型甲醇水蒸汽重整制氢技术、光热转换甲醇水蒸汽重整制氢技术和余热利用型甲醇水蒸汽重整制氢技术的最新研究进展,总结并对比不同技术路线中重整反应器结构、系统设计方案及制氢性能。最后,对3种甲醇水蒸汽重整制氢技术的发展趋势及应用前景进行展望。

废轮胎热解半焦的单颗粒燃烧特性实验研究

在单颗粒燃烧系统上研究了废旧轮胎热解半焦颗粒的燃烧特性,并探究了温度与颗粒粒径对燃烧的具体影响.结果表明,半焦颗粒在850℃及以下燃烧时经历挥发分析出及着火、挥发分燃烧、焦炭着火及焦炭燃烧4个阶段,在机理上属于典型的均质着火机理;在950℃以上时,焦炭着火早于挥发分着火,其着火机理转变为联合着火.此外,温度升高会缩短半焦颗粒着火时间等特征时间,而半焦颗粒粒径的增加则会增大挥发分火焰的体积并显著延迟焦炭的着火时间.研究结果为高效清洁利用轮胎衍生燃料提供了一定的基础研究数据.

循环流化床锅炉风帽脱落原因和改进

循环流化床锅炉发生风帽脱落和风帽套管断裂等情况,容易导致风室漏渣和停炉事故等,对锅炉的整体运行造成一定影响。本文对风帽的多工况工作过程进行了数值模拟,详细分析了风帽脱落和风帽套管断裂的原因。数值模拟结果表明,风帽安装方法、一次风压力和炉膛压力对风帽受力有显著影响。研究结果为风帽选取和风帽安装等实践提供一定的参考。

高效可见光响应微生物/光电化学耦合人工光合作用系统

人工光合作用系统可以利用太阳能将二氧化碳转化为高附加值的化学产品,能够有效地解决人类面临的能源与环境问题,极具发展前景。然而,人工光合作用系统面临产物选择性差、过电位高、太阳能利用率低等重大挑战。本文提出了一种新型微生物/光电化学耦合人工光合作用系统,该系统由固碳产甲烷微生物阴极和复合光阳极组成,其中复合光阳极由TiO_(2)电极与硅太阳能电池串联组成。该耦合系统在仅输入太阳能且不施加外部偏压的条件下,可实现化学燃料甲烷的产生。甲烷产量高达(10.7±0.2)L·d^(-1)·m^(-2),相比已有研究高出13倍,同时该耦合系统固碳产甲烷的法拉第效率高达98.5%±2.1%,远高于传统的人工光合作用系统。该新型人工光合作用系统的提出,为制取具有高附加值的化学产品和发展可再生能源提供了新的思路。

非水系纳米流体热再生液流电池串联堆性能特性

热再生电池(thermally regenerative batteries,TRB)在低温热能回收和产电综合利用等方面极具发展与应用前景。非水溶剂的应用提升了TRB的开路电压、能量密度和热效率,然而现有研究电池内阻较大,并且缺乏面向实际应用的拓展性研究。为此,本文采用铜-乙腈非水体系构建了紧凑型TRB反应器和串联电堆,研究了电极间距对单电池性能以及供液方式、子电池数量、电路联接方式和电解液流量对串联堆性能的影响。研究结果表明,构建紧凑型结构获得单电池性能显著提升,并联供液具有更佳的传质效果和子电池性能均一性从而电堆获得更高的输出功率,同时串联堆开路电压和最大输出功率随子电池数量增加而线性增加。需选择合适的子电池数量和电路连接方式以满足实际应用中作为电源的工作电压及电流要求。增加电解质流量有助于强化物质传输,电堆最大输出功率随电解液流量的增加先增加后保持不变。

活性炭负载Ni-N-C催化剂提升电解碳酸氢盐法拉第效率

直接电解碳酸氢盐可避免CO_(2)解吸的高耗能步骤,为将CO_(2)转化为增值化学品提供了一条具有商业前景的路径。寻找廉价、高效的电解碳酸氢盐催化剂以替代贵金属催化剂(如Ag),是一项重要的工作。本研究将Ni-N-C催化剂引入电解碳酸氢盐体系,以活性炭为碳载体制备了具有发达孔隙结构的Ni-N-C催化剂,为电解碳酸氢盐提供了丰富的催化活性位点和充足的物质传输通道。在N_(2)饱和的3.0 mol·L^(-1)KHCO_(3)溶液中,Ni-N-C催化剂在100 mA·cm^(-2)的电流密度时CO法拉第效率(FECO)为57.2%,相同条件下Ag催化剂的FECO仅为42%。本研究证明了Ni-N-C催化剂在电解碳酸氢盐体系中可以取代Ag将碳酸氢盐转化为CO。

液滴撞击不同浸润性壁面动态过程的数值模拟

采用VOF方法模拟了液滴以相同速度撞击到接触角分别为63°、90°、118°和160°的固体壁面上的形态演变过程。结果表明:固壁的亲憎水性对液滴撞击表面后形态的演化有较大影响,亲水壁面有利于液滴的铺展,在接触角为90°的壁面上液滴部分反弹,而当接触角为160°时,液滴完全反弹;当三相接触线开始回缩时,中心液体的表层部分在惯性力的作用下继续向铺展的液滴边缘聚集,导致近中心处液膜逐渐减薄至断裂,最终形成边缘较厚的液环;同时,液滴最大铺展系数随壁面接触角的增大而减小,达到最大铺展系数的时间也相应缩短。

超声技术在石英光纤腐蚀中的运用

为了获得光滑的腐蚀光纤表面并精确管理光纤的腐蚀直径,采用自行设计的超声腐蚀系统,在质量百分比浓度为12.5%的氢氟酸(HF)溶液中研究了超声功率和腐蚀温度对石英光纤包层、纤芯腐蚀速率以及腐蚀后光纤表面形貌的影响。研究表明:在HF溶液中,超声扰动有利于提高光纤的腐蚀速率,光纤腐蚀速率与腐蚀时间呈非线性关系,腐蚀表面随着腐蚀的进行越来越粗糙。基于研究结果,进一步采用质量百分比浓度为12.5%的HF溶液和25%的NH4OH溶液配制了缓冲氢氟酸(BHF)溶液,探讨了光纤腐蚀速率及表面形貌的变化,结果表明:在V(HF)∶V(NH4OH)=2的BHF溶液中,当超声功率为165W、腐蚀温度为40℃时,可获得光滑的腐蚀光纤表面和腐蚀速率与腐蚀时间的线性关系。

矩形与双筒型微生物燃料电池产电特性比较

比较了矩形和双筒型微生物燃料电池(MFC)在电池启动、电池阻抗、阳极上附着的生物量、阳极生物膜的电化学活性、电池性能等方面的差异。双筒型MFC阳离子交换膜面积较大且电极间距较小,因此具有启动快、电池阻抗低、阳极上附着的生物量多、阳极生物膜的电化学活性高等优点,也导致了其比功率较高为(52.54±0.02)W/m3,是矩形MFC的1.33倍。

高饱和蒸发压力氨喷雾冷却沸腾传热特性

利用冷却工质的相变蒸发带走大量热量的喷雾相变冷却技术成为大功率电子元件散热需求的最佳途径。建立了双喷嘴阵列氨喷雾相变冷却实验系统,研究了饱和蒸发压力以及进口流量对氨喷雾相变冷却传热特性的影响规律。实验结果表明:在氨喷雾相变冷却过程中,维持较高的饱和蒸发压力有利于传热系数提高,过热度降低;流量对传热特性影响较大,低流量时,强迫对流传热向核态沸腾传热的转换更明显;在相同流量下,当饱和蒸发压力为403 kPa时,传热系数最大可达145 323 W/(m2.K),是饱和蒸发压力在117 kPa下的传热系数的51%。

流动腐蚀方式对石英光纤湿腐蚀特性的影响

为了获得光滑的腐蚀光纤表面,本文从光纤腐蚀的传质及动力学特性出发,设计了一种流动腐蚀光纤装置。采用质量百分比浓度为12.5%的氢氟酸(HF)溶液,研究了石英光纤的组成成分、腐蚀剂温度和流速对腐蚀速率以及腐蚀后光纤表面形貌的影响。实验结果及理论分析表明:光纤腐蚀速率和表面粗糙度受化学反应速率和传质速率控制;由于光纤纤芯与包层成分不同,导致纤芯腐蚀速率高于包层腐蚀速率;在静态腐蚀条件下,腐蚀速率随温度呈非线性增长,且腐蚀后光纤表面粗糙;在流动腐蚀条件下,光纤腐蚀速率提高,并与温度呈线性关系,腐蚀后光纤表面粗糙度随流速的增加呈现出先减小后增大的趋势;在流速为0.75L/min时,获得了光滑的腐蚀光纤表面。

高分子链构象和动态特性的分子动力学模拟

运用分子动力学方法对高分子稀溶液进行了模拟,分析了链长、溶液密度对高分子链构象参数和动态特性的影响。模拟结果表明:高分子链的构象参数随溶液密度的增大而减小,随着链长的增加逐渐增大,但增大的倍数逐渐减小;链长的增加和溶液密度的增大限制了高分子链的随机运动能力,但当链长增加到一定程度后,链长对随机运动能力的影响逐渐减弱;高分子链的松弛时间随着链长的增加和溶液密度的增大而增大。

镁离子对沼气反应器中莴笋皮和马铃薯皮发酵产气特性的影响

为了提高沼气反应器对发酵原料利用率,缩短发酵周期,提高产气率,该文试验研究了镁离子添加量分别对以莴笋皮和马铃薯皮为发酵原料的抗结壳沼气反应器产气性能的影响。结果表明:以莴笋皮为发酵原料,每升沼液中镁盐最佳添加量为0.30g,池容产气率为0.398m3/(m3·d),发酵后期甲烷浓度稳定在70%左右,总产气量提高了71.4%;以马铃薯皮为发酵原料,每升沼液中镁盐最佳添加量为0.10g,池容产气率达到0.804m3/(m3·d),发酵后期甲烷浓度稳定在68%左右,总产气量提高了41.6%。因此适量的镁离子添加量能缩短沼气反应器的发酵启动时间,促进甲烷合成,显著提高反应器的产气性能。

外源添加物对抗结壳沼气反应器产气特性影响

针对沼气反应器发酵原料利用率低、发酵周期长、产气率低等问题,实验研究尿素、复合磷酸盐及复合维生素等外源添加物对以马铃薯皮为发酵原料的新型抗结壳沼气反应器产气性能的影响。结果表明:一定浓度的外源添加物能缩短抗结壳沼气反应器的发酵启动时间,促进甲烷合成,显著提高反应器的日产气量。在最佳尿素添加量为1.0g/L时,总产气量提高52.9%,池容产气率为0.869m3/(m3.d),发酵后期甲烷浓度稳定在约65%;复合磷酸盐最佳添加量为1.200g/L时,此时总产气量提高28.9%,池容产气率为0.659m3/(m3.d),发酵后期甲烷浓度稳定在约68%;复合维生素最佳添加量为0.015g/L时,其总产气量提高48.4%,池容产气率为0.843m3/(m3.d),发酵后期甲烷浓度稳定在约70%。

氨喷雾相变冷却换热面温度分布特性

以液氨为冷却工质,针对大功率激光器350W/cm2以上散热需求进行喷雾冷却换热实验,研究了不同流量下冷却表面散热特性以及温度分布规律。实验结果表明:在加热功率和喷淋高度不变时,进口流量较大,冷却表面处于无沸腾换热,主要以强迫对流换热为主,换热表面温度低且分布均匀;流量为0.461L/min时,热流密度可达388W/cm2,热沉表面温度仅有2.6℃,温度偏差为±1.1℃;随着进口流量减小,热流密度增加,换热形式由强迫对流换热逐渐过渡到沸腾换热,从而导致热沉表面温度分布均匀性降低。

矩形微生物燃料电池阳极室传质模拟

以碳布为阳极材料、无添加电子介体微生物燃料电池的阳极室为模拟对象,建立了底物在阳极室和生物膜内传质过程以及生物膜内生化与电化学反应的控制方程,考察了阳极电势和进口底物流量对底物浓度分布、降解效率及电流密度的影响。计算结果表明,阳极电势对阳极室及生物膜内底物浓度的分布有着重要的影响。阳极电势越高,阳极室及生物膜内底物浓度越低,底物降解效率越高,产生的电流密度越大。进口底物流量越大,底物在反应器中水力停留时间越短,底物降解效率越低;随着进口底物流量的增加,单位时间内底物的传质通量增大,生物膜内底物的消耗速率增加,因此电流密度随之增大。

燃煤锅炉烟气侧换热表面的积灰机制及影响因素

工业燃煤锅炉烟气中含有大量的飞灰颗粒、粘性物质和酸性气体,其中飞灰颗粒易与其他物质发生耦合作用,在换热器受热面上发生沉积而形成积灰,会对设备换热性能和系统稳定运行造成严重影响,因此积灰问题是亟待解决的难题。而影响积灰的因素众多,不同运行工况和换热器结构条件下,受热面上的积灰过程差异较大。为深入了解积灰特性和影响积灰的关键因素,首先阐述燃煤锅炉烟气中飞灰的形成、传输、粘附和生长机制;接着详细分析影响飞灰颗粒在换热器受热面上沉积的主要因素和影响规律,并归纳总结积灰对换热性能影响的准则关联式;最后,根据各种因素对积灰影响规律的分析,为高热效、抗积灰换热器的结构设计和运行工况选择提供指导思路,并对烟气侧换热表面积灰特性的研究前景进行展望。

熔渣颗粒空冷相变换热的三维数值模拟

利用VOF方法结合凝固和熔化模型对熔渣颗粒在空气流中的冷却相变过程进行了三维数值模拟,讨论了熔渣颗粒直径和空气速度对冷却凝固过程演变的影响。结果表明:空冷方法能够实现熔渣颗粒表面的快速凝固成型,但同时也造成了颗粒内部的非均匀凝固。熔渣直径越小,完全凝固时间越短;空气流速越大时,其表面换热越强,完全冷却时间越短。颗粒初温为1673.15K、直径为0.5~2mm,风速为1~5m·s-1条件下熔渣颗粒在2s内释放出全部凝固热,后续空气最高温度能达到900K以上。

高温熔融高炉渣颗粒相变冷却特性分析

采用温度法模型对高温熔融高炉渣颗粒的相变冷却特性进行了分析,考虑颗粒固液相热导率随温度的变化及颗粒与环境的辐射换热,获得了高温熔渣颗粒内的温度分布以及相界面位置随时间的推移过程。讨论了变热导率、换热条件、颗粒尺寸,冷却流体速度和温度对相变冷却过程的影响,结果表明:热导率的变化使得颗粒冷却凝固时间延长,高温辐射换热极大加快了冷却速率;颗粒直径增加,相界面移动速度降低,凝固时间增加;冷却流体速度增加,温度降低,相界面移动速度增加,凝固时间缩短。

单颗粒多孔MgO吸附剂CO2吸附流动传输的格子Boltzmann方法模拟

应用格子Boltzmann方法对MgO颗粒CO2吸附过程流动与传输特性进行模拟。基于二级反应动力学模型,研究孔隙率和粒径对颗粒内渗流速度、CO2浓度、CO2吸附速率和MgO颗粒固体转化率的影响。结果表明:沿流动方向颗粒内CO2浓度与颗粒转化率逐渐递减;在相同时间下,颗粒粒径越大,颗粒内渗流速度和CO2浓度越低,转化率和吸附速率越低;相同粒径和相同时间下,孔隙率越大,CO2浓度和MgO固体转化率越高,平均吸附速率越快。