超临界CO_2-水两相流与CO_2毛细捕获:微观孔隙模型实验与数值模拟研究

CO_2毛细捕获机制是CO_2地质封存中的关键科学问题,然而有关孔隙尺度下(微米极)超临界CO_2毛细捕获的研究较少.采用高压流体-显微镜-微观模型实验装置,开展超临界CO_2条件(8.5 MPa,45?C)下CO_2驱替水(排水)和水驱替CO_2(吸湿)实验,采用高分辨率照相机采集CO_2水两相流运动图像,并借助光学显微镜直接观测孔隙尺度下CO_2毛细捕获特征.同时,采用计算流体动力学方法对实验过程进行三维数值模拟.数值模拟不仅反映了实验过程中两相流驱替锋面的推进过程,还刻画了孔隙尺度下被捕获的CO_2液滴/团簇三维空间形态特征.最后,基于数值模拟给出了CO_2初始饱和度与残余饱和度曲线,即毛细捕获曲线,并对比分析了3种毛细捕获曲线预测模型(即Jurauld模型、Land模型和Spiteri模型)的优劣.分析表明,Jurauld模型的描述能力稍优于Land模型,Spiteri模型的描述能力较弱.由于Land模型只需单个参数,且参数具有明确的物理意义,因此在实际工程中,建议优先采用Land模型.

国家煤炭应急储备布局模型构建及应用

为优化国家煤炭应急储备基地布局,采用应急设施选址相关理论和方法,构建煤炭应急储备布局的时间-成本多目标混合整数规划模型。以应急反应时间最短、总成本最小为目标,以储备规模总量、储备点数目、应急限制期、应急储备点双容量限制、多路径等为约束条件,以采集的现实数据为基础,运用目标规划法,在储备点数目和储备容量等约束条件变化的4种情景下求解该模型,并对求解结果进行比较分析。研究结果表明:4种情景中,储备点总数不大于25个、容量上限为10 Mt情景下的选址方案为最优方案;有22个储备点在4种情景中均入选为储备点,表明其地位的重要性。

大力推行能效电厂,支持实现国家节能减排目标

"能效电厂"可有效提高终端用电效率,支持中国实现"十一五"节能减排目标。提出了从电价中回收成本、系统效益收费等4种财务上可行的能效电厂实施模式,并进行了比较分析;探讨了地方政策改革对支持和实施能效电厂的重要性和可行性;就国家层面如何支持能效电厂实施,从立法、资金来源、市场参与等方面提出了建议。

中国主要农作物生物质能生态潜力及时空分析

[目的]农业生物质能资源可开发潜力的估算是农业生物质能科学开发利用研究的关键和基础。同时农作物秸秆还田具有维护和增强土壤功能的作用,因此对农业生物质能生态潜力的评估,是实现农业生物质能可持续开发的重要前提。基于此,考虑土壤生态要求,研究不同还田比情景下中国主要农作物的生物质能生态潜力,并对其时空间特性和结构构成进行分析,为中国农业生物质能的开发利用提供参考。[方法]首先,结合相关历史统计数据,运用线性回归法、文献调研和专家预测等方法,对未来全国农作物播种面积、各省(市、自治区)播种面积占比、主要农作物种植比例和单产进行预测;其次,在分析已有相关研究的基础上,对秸秆的草谷比、工业比、饲料比和燃烧比进行设计,并从保护土壤功能的角度,结合相关研究文献,运用情景分析法,设计高、中、低三种秸秆还田比情景;最终,从空间分布和时间分布的角度,对中国主要农作物最终可利用生物质能潜力进行分析说明,并提出相关发展建议。[结果](1)到2050年,低还田比(0.3)、中还田比(0.5)和高还田比(0.75)情景下中国主要农作物最终可利用生物质能分别为1.86亿吨标煤、0.93亿吨标煤、0.15亿吨标煤,且随着时间的推移,中国主要农作物最终可利用生物质能会发生空间、时间和种类构成集聚的现象;(2)在低、中还田比情景下,中国主要农作物最终可利用生物质能主要分布在东北、华东、华中,其中河南、黑龙江、山东、新疆等地占比较大;从时间分布上来看主要集中在8月、9月和10月,从构成上来看主要是由稻谷、小麦和玉米秸秆构成;(3)在高还田比情景下,从空间上来看则主要集中在华东、华中、华南和西南,其中广西、云南、河南、黑龙江等地占比较大,时间上则集中在1月、2月、11月和12月,在构成上则仅由小麦、豆类、薯类和甘蔗构成。[结论]在主要农作物生物质能开发方面,可优先考虑河南、黑龙江、新疆、山东等地。在构建区域农作物秸秆集散基地、农业生物质能开发利用产业基地、大型秸秆直燃发电基地等大型综合农业生物质能开发项目,可优先考虑东北和华中区域。此外,可通过农作物种植结构调整、提高农业管理水平等措施,进一步提高西南、西北地区主要农作物最终可利用生物质能潜力。

钻井液侵入海洋含水合物地层的一维数值模拟研究

本文以墨西哥湾水合物区域为背景,利用数值模拟方法研究了过平衡钻井条件下,当钻井液温度高于地层中水合物稳定温度时,水基钻井液侵入海洋含水合物地层的动态过程及其一般性规律.与侵入常规油气地层相比,耦合水合物分解和再形成是钻井液侵入海洋含水合物地层的主要特征.模拟结果表明,钻井液密度、温度和盐度都对侵入过程有影响.在一定条件下,钻井液密度越大,温度和含盐量越高,则钻井液侵入程度越深,热量传递越远,水合物分解程度越大.分解的水气在合适条件下又会重新形成水合物,影响了钻井液进一步侵入.而重新形成的水合物的饱和度甚至可能高于原位水合物饱和度,在井周形成一个"高饱水合物"环带.这一现象归因于钻井液侵入的驱替推挤、水合物分解的吸热以及地层传热的滞后等因素共同作用.在地层物性一定的条件下,高饱水合物环带的出现与否主要受钻井液温度和盐度控制.水合物分解以及高饱水合物环带的出现对井壁稳定和电阻率测井解释有很大影响.因此,为维护井壁稳定、确保测井准确和减少水合物储层伤害,就必须对钻井液密度、温度和滤失量进行严格控制,防止地层中的水合物大量分解.最好采用控制压力钻井(MPD)和深侧向测井方式,同时尽量选用低矿化度的含水合物动力学抑制剂的钻井液体系,采取低温快速循环方式.

国际典型“零能耗建筑”示范工程技术路线研究

对美国、英国、德国、法国等国家的多栋零能耗(近零能耗)低层居住建筑、多层居住建筑、公共建筑和社区进行了分析,这些建筑大部分已经建造完成且有实测数据,小部分使用了模拟计算进行分析。介绍了以实现建筑零能耗为目的采用的太阳能光电技术、高性能围护结构、其他支撑技术和部分示范工程经济性分析的最新进展,提出了通过被动式设计、高性能围护结构、高效建筑能源系统、能耗预测监管平台等技术综合应用,达到建筑零能耗的技术措施。

高镍正极材料中钴元素的替代方案及其合成工艺优化

高镍三元正极材料LiNi_(x)Mn_(y)Co_(1−x−y)O_(2)(x>0.8)因其高能量密度而备受瞩目。在高镍三元正极材料中,Co不但有助于增强层状正极材料结构稳定性,而且能够提高正极材料导电性能,因此被认为是一种非常重要的元素。但是由于目前全球范围内钴矿资源紧缺,在一定程度上限制了含钴正极材料在新能源电动汽车领域的发展应用。基于此,本文将不同的过渡金属离子掺杂到高镍层状材料中形成无钴化正极材料,并进行高镍正极材料无钴化的可行性分析。通过实验对比发现,资源存储量丰富并且价格低廉的Zr在一定程度上可以取代Co元素,得到的正极材料LiNi_(0.85)Mn_(0.1)Zr_(0.05)O_(2)表现出良好的电化学性能,在0.2C倍率以及2.75–4.3 V的截止电压范围内,其放电比容量为179.9 mAh·g^(−1),80周容量保持率为96.52%。

中国北方城镇居住建筑供暖能耗现状与节能潜力分析

以天津地区居住建筑为研究对象,通过对用户供暖耗热量的采集和统计,了解了居住建筑在运行过程中的供暖能耗现状,分析了运行能耗过高的原因。结果表明,合理的室内温度控制措施可实现运行节能22%。通过对中德两国居住建筑设计热需求和供暖运行能耗的分析与对比,发现中国居住建筑三步节能标准与德国EnEv2002和EnEv2009节能标准相比,围护结构节能潜力分别可达17%和35%。在同等气候条件下,满足三步节能标准的中国居住建筑供暖运行比德国满足EnEv2002标准的建筑多消耗73.2%的能源。

基于能源平衡表的建筑能耗拆分模型及应用

在对能源平衡表中各项数据的来源与口径进行分析的基础上,建立了基于能源平衡表的建筑能耗拆分模型。计算了2001—2014年全国建筑能耗数据,并将计算结果与相关研究结果进行了比较。提出了区域建筑能耗上下限校核方法。研究结果表明:基于能源平衡表的建筑能耗拆分模型具有数据获取简单、来源权威、计算简便、易于得到时间序列数据等优点;建筑能耗计算结果与清华大学CBEM数据在变化趋势上保持一致;建筑能耗上下限校核方法可用于自下而上模型计算结果校核或省级民用建筑能耗统计数据审核。

TOUGH2软件的发展及应用

TOUGH2是一套功能强大、应用广泛的模拟孔隙或裂隙介质中多相流的系列程序。本文概略地回顾了TOUGH2软件的开发背景和升级历史。系统地介绍了TOUGH2软件的结构组成、特点和基本原理以及该软件的应用现状。

中国主要农作物秸秆可新型能源化生态经济总量分析

【目的】如何在保护生态环境和考虑秸秆资源开发成本的基础上,实现秸秆资源的合理开发,对中国农业生物质能发展规划有着重要的意义。因此,从保护生态环境和开发成本角度,对可新型能源化利用秸秆资源的生态经济总量进行评估,为生物质能产业布局、优先发展区域、优先发展技术以及政策制定提供参考。【方法】采用文献调研法对研究秸秆还田量与水土流失、土壤有机质和农作物单产关系的文献进行梳理,在此基础上提出土壤生态保留量的概念,并归纳出不同农作物的基础土壤生态保留量;根据基准年农作物单产、种植结构和草谷比系数,考虑土壤生态保留量和秸秆用途,对区域秸秆生态总量和资源密度进行计算;对政府政策和相关项目成本进行分析,设计发展情景和项目成本参数,并以项目投资回报率为变量,计算不同回报率下项目的经济收集半径;根据秸秆资源密度和经济收集半径,计算项目的经济收集量,并与项目理论需求量进行比较,整理出不同项目可用秸秆生态经济总量。【结果】中国主要农作物可新型能源化利用秸秆生态总量约8 661.31万t,主要分布在广西、四川、山东和河南,主要由薯类、甘蔗和油菜秸秆构成。当投资回报率(ROI)为0时,现有技术水平和政策下,6 MW、25 MW直燃发电项目,12 MW气化发电项目,年产5 000 t和10 000 t燃料成型项目可用秸秆生态经济总量分别为8 658.24×10~4、8 655.29×10~4、8 658.24×10~4、3 314.69×10~4和8 661.31×10~4 t。当ROI为5%时,6 MW、25 MW直燃发电项目,12 MW气化发电项目,年产5 000 t和10 000 t燃料成型项目可用秸秆生态经济总量分别为7 943.15×10~4、8 347.38×10~4、8 347.38×10~4、260.45×10~4和8 661.31×10~4 t。当ROI为10%时,6 MW、25 MW直燃发电项目,12 MW气化发电项目,年产5 000 t和10 000 t燃料成型项目可用秸秆生态经济总量分别为1 853.29×10~4、7 023.24×10~4、7 068.07×10~4、0和8 661.31×10~4 t。在现有技术水平和政策下,不同ROI下纤维素乙醇项目的可用秸秆生态经济总量均为0。【结论】(1)现有政策对发电类项目有显著的激励作用,可适当降低对年产10 000t燃料成型项目的补贴力度,提高发电类项目的补贴力度;(2)在生物质能产业布局方面,现阶段可优先发展年产10 000 t秸秆燃料成型项目,可优先在广西、湖北、广东、安徽、河南等地规划建设12 MW秸秆气化发电项目,其次可考虑在广西、湖北、广东和安徽规划建设25 MW秸秆直燃发电项目,最后可考虑在广西规划建设6 MW秸秆直燃发电项目。

基于协同仿真的人行为能耗模拟方法

在目前的建筑能耗模拟中,房间内人员数量、建筑设备的开关状态等信息主要采用简单的固定作息来描述,不能实现人员活动的随机性、复杂性和多样性等行为的定量刻画。开发了一个人行为功能模型单元(obFMU),实现了基于功能模型接口(FMI)标准的obFMU与能耗模拟软件的协同仿真;并通过建筑人行为空调开关操控算例说明了obFMU协同仿真的使用方法与适用性。

中国区域能源效率比较——基于DEA-Malmquist和聚类分析

将工业污染物排放作为非期望产出,以2001—2010年30个省际的数据为基础,采用DEA-Malmquist生产效率指数测算中国省际全要素能源效率,结果表明:东部全要素能源效率一直处于效率前沿面上,中西部地区则远离前沿面。为了寻求提高中西部地区的全要素能源效率的途径和方法,根据技术进步、纯技术效率和规模效率等三个指标对不同类型区域的全要素能源效率差异和特征进行聚类和分析,并提出针对不同地区提高全要素能源效率的对策建议。

基于双应变胡克模型的岩石非线性弹性行为分析

富含孔隙/裂隙岩体的非线性变形对于工程的安全评价具有重要意义。在多物理场耦合分析求解器TOUGH-FLAC3D中实现双应变胡克模型(two-part Hooke s model,简称TPHM)的数值解法,并界定TPHM的适用条件。TPHM假设:对于岩体中可承受较大变形的软体(如孔隙、裂隙等),用基于自然应变(或真应变,即岩体变形与当前应力状态下的岩体体积之比)的胡克定律来描述;而对于只承受较小变形的硬体部分用基于工程应变(岩体变形与原始应力状态下的岩体体积之比)的胡克定律来描述。通过对室内岩样的应力-应变特征计算分析,表明TPHM在本质上反映了加卸载过程中低应力阶段的非线性变形行为,该力学响应完全取决于孔隙/裂隙的自然应变(真应变);通过对瑞士Mont Terri岩石实验室的深部ED-B巷道围岩的变形场计算分析,显示出TPHM较为准确地反映了开挖卸载诱发的围岩变形特征。因为TPHM本质上是考虑了低应力状态下孔隙/裂隙对岩石力学性质的影响,因此,在具有卸荷扰动特征的岩石工程中应用TPHM模型进行设计分析更符合实际。

中国碳交易试点配额分配的机制特征、设计问题与改进对策

通过对中国碳交易试点和欧盟、加州碳交易体系的配额分配机制进行比较,笔者分析中国试点的独特机制特征,剖析各试点存在的问题。研究发现:中国碳交易试点形成了总量刚性与结构弹性结合、历史法与基准法切分结合、免费配发与有偿拍卖结合、事前分配与事后调节结合的独特配额分配机制;但是,由于准备时间短暂,缺乏坚实的能力基础和足够的排放数据,各试点在配额分配机制设计上存在不少问题,比如"新常态"下总量过剩、鞭打快牛、双重计算、基准随意、拍卖过少、规则不透明等。针对上述试点问题我们提出改进对策,为全国碳市场的建立提供试点经验借鉴。

缝洞型碳酸盐岩油藏并行模拟器及其应用研究

在成熟应用的缝洞型碳酸盐岩油藏模拟器KarstSim的基础上,针对更加精细和大规模网格的模拟需求,开发了KarstSim的并行模拟器。并行化主要通过网格分区、大型线性方程解法和处理器之间信息通讯3个部分实现,同时借助了Aztec库和METIS软件。基于Buckley-Leverett两相纵向流动理论和塔河油田某区块的模型,对并行版与解析解、单机版计算结果的对比,验证了并行模拟结果的准确性以及计算的效率性。将并行模拟器应用至64万网格非均质的缝洞型油藏,在最高采用128核服务器中模型计算时间最低为7.3h,计算效率提升显著。最后对不同网格规模的均质油藏进行了模拟,网格规模从1万逐渐增加到1千万规模,结果显示对于千万级网格的均质油藏,并行模拟器计算时间为85min,证实了并行模拟器在大规模油藏模拟中的实用性。

土壤优先流运动的活动流场模型分形特征参数计算

活动流场模型分形特征参数控制着优先流的产生和发展,因此准确获得活动流场模型分形特征参数值对提高模型的模拟预测精度具有重要意义。该研究采用染色示踪方法,将优先流流场从流动背景中显示出来,通过数字图像分析和采样分析获得优先流流场和流场内土壤含水率的分布模式,根据活动流场模型本构方程拟合活动流场模型分形特征参数值;针对3种常见的入渗后染色区内土壤含水率分布模式,分别提供了相应的活动流场模型分形特征参数的计算方法。研究结果显示,1)由于入渗后土壤水重分布的影响,活动流场区域和染色区域在整个入渗深度范围并不完全重合,因此仅可选择活动流场与染色区域相重合深度范围内受土壤初始含水率影响较小的数据来拟合活动流场模型分形特征参数值;2)土壤质地对入渗后染色区内土壤含水率的分布模式有显著影响,细质地土壤中入渗后染色区土壤含水率沿入渗方向逐渐减小,粗质地土壤中入渗后染色区土壤含水率沿入渗方向先增大后减小。

基于分形理论的土壤优先流运动控制方程

为表征土壤优先流的快速非平衡运动、更准确地预测非饱和带土壤中的水流运动和溶质运移过程,该文在活动流场模型基本理论和土壤优先流表现出的分形特征的基础上,将分形理论引入到连续性模型,根据质量守恒原理建立了描述土壤优先流形式下水流运动和溶质运移过程的控制方程,发展和完善了活动流场模型理论;对比分析了活动流场模型理论与二域模型理论和活动裂隙模型理论之间的联系和区别。研究成果为运用活动流场模型解决优先流条件下土壤水流运动和溶质运移等相关问题提供了参考。

土壤优先流运动的活动流场模型模拟和敏感性分析

在壤土和砂土条件下分别采用碘-淀粉染色示踪方法和亮蓝染色示踪方法各开展了2个染色示踪试验,分别采用活动流场模型和二域模型模拟计算了各试验入渗后染色区内的土壤含水率和溶质浓度分布,通过相对均方根误差分析评价了两个模型模拟预测优先流发展的有效性;此外,通过敏感性分析研究了不同入渗条件(土壤质地、入渗水量和土壤初始含水率)下活动流场模型模拟预测结果(入渗深度)对活动流场模型分形特征参数变化的敏感度。模型检验分析结果显示活动流场模型对土壤水入渗深度、入渗后染色区内土壤含水率和溶质浓度分布的预测精度要明显高于二域模型的模拟预测精度;活动流场模型较好的捕捉到了优先流运动整体的非均匀特征。敏感性分析结果显示,当降雨入渗水量和土壤初始含水率相同时,入渗深度对活动流场模型分形特征参数(γ)的敏感度随着γ的增大而增大;相同活动流场模型分形特征参数(γ)值条件下(即流动非均匀程度相同),入渗深度对活动流场模型分形特征参数(γ)的敏感度随着入渗水量的增大和土壤初始含水率的升高而减小。

锂离子电池成膜添加剂研究展望

论述了近年来成膜添加剂在锂离子电池电解液中的研究现状和发展前景;分析了无机成膜添加剂的进展和研究成膜添加剂的新方法,如理论计算、分子设计和原位分析测试技术等;提出了开拓成膜添加剂新领域的可能性。