垃圾填埋气综合利用——中国科学院工程热物理研究所填埋气综合利用研究硕果累累

城市垃圾填埋处理是当前世界各国垃圾处理的主要方式，对填埋中产生的填埋气进行综合处置、利用则是国际关注的节能减排课题。中国科学院工程热物理研究所依托学科及团队优势，自1997年起，对垃圾填埋气的综合处置、利用开展了10余年的系统研究和应用开发，形成了一批专利成果，成功研究发明出具有自主知识产权的填埋气焚烧火炬和填埋气发电机组，相关技术已分别达到国际领先、国际先进水平，不仅实现了重大环保设备的国产化，推进了国家环卫行业的技术进步，而且为实现我国节能减排目标和实现“绿色北京、绿色奥运”做出了贡献。

中国科学院工程热物理研究所先进压缩空气储能成果喜获北京市科学技术一等奖

2月27日,北京市科学技术奖励大会在北京会议中心顺利召开,北京市委书记郭金龙、市长王安顺等北京市委、市政府领导出席会议并为科技获奖代表颁奖。副市长张工宣读了关于2014年度北京市科学技术奖励的决定,王安顺市长发表讲话并向获奖人员辛勤工作取得的成果致以崇高敬意和热烈祝贺。本次奖励大会获奖奖项共计220项,其中一等奖30项,二等奖60项,三等奖130项。

复兴路上的科学家精神:新时代·新青年——中国科学院工程热物理研究所吴仲华高效低碳燃气轮机科技攻关青年突击队:聚成一团火,点亮燃气轮机自主研发的方向

中国科学院工程热物理研究所吴仲华高效低碳燃气轮机科技攻关青年突击队(以下简称“突击队”)共36人,平均年龄35.6岁,其中中共党员22人;突击队的攻关任务为燃气轮机大科学装置和低碳燃烧室关键技术。突击队以中国科学院院士吴仲华冠名,时刻牢记“爱国奉献、开拓创新、追求真理”,旨在传承老一代科学家精神、践行新时代科学家精神。

光热协同甲醇水蒸气重整制氢实验和微观机理研究

针对太阳能光热化学甲醇重整制氢中光热耦合效应及微观机理尚不清楚的问题,采用光热化学和热化学反应对比的研究方式,与微观实验相结合,研究了光热化学甲醇重整中光和热的耦合效应,探究了光和热在微观产物转化中的反应路径。研究结果表明:在较低温度下,光对氢气产率的提升具有促进作用,当其与热化学达到相同氢气产率时,光热化学反应温度降低,造成这种现象的原因是光促进了水的分解、吸附态HCOO*的生成以及碳酸盐的分解,其中水在反应中的作用通过不同水醇比的实验得到了进一步验证;随着温度的升高,固定辐照度下光的促进作用逐渐降低,这是因为光对碳酸盐物质分解的促进作用随温度升高而减弱。研究阐明了光和热的耦合效应,分析了对应的微观机理,为理解光热协同机理提供了理论基础。

60 t/h煤粉预热燃烧锅炉宽负荷运行特性研究

为满足国家“双碳”目标下煤炭清洁高效利用领域的迫切需求,在工业锅炉、电站锅炉等领域开发了煤粉预热燃烧技术。煤粉先进入流态化预热燃烧器中高温改性,再进入锅炉炉膛分级配风燃烧,从而实现了煤高效、低氮燃烧,并在1台60 t/h煤粉锅炉上进行了技术验证。锅炉侧墙对冲布置了2只预热燃烧器,单只预热燃烧器设计热功率为26 MW,以烟煤为原料,在10%~100%负荷范围开展了6个不同负荷的锅炉运行特性和NOx排放特性试验研究,结果表明:该锅炉在各负荷下运行状态稳定、良好,无助燃条件下实现了10%超低负荷稳定运行;预热燃烧器各参数合理、循环状态稳定,满足锅炉宽负荷的运行要求;负荷下锅炉燃烧效率均在97%以上,10%、20%负荷下锅炉热效率大于85%,30%及以上负荷锅炉热效率均在90%以上;通过调整配风,锅炉各负荷下NO_(x)原始排放均低于50mg/m^(3)(φ(O2)=9%)。60 t/h煤粉预热燃烧锅炉的成功示范,为煤粉高效清洁灵活燃烧技术的发展和应用提供了重要支撑。

亚声速可压缩流场叶片边界层热线测速方法研究

为了能够开发一种简单有效的亚声速可压缩流场叶片边界层速度测量方法,从而为叶型设计和相关数值研究工作提供支撑,本文围绕热线风速测量技术,针对可压缩流场密度变化对热线标定结果的影响,以及实际测量中速度、密度耦合而无法直接获取的问题,通过理论分析,提出了适用于边界层测量的恒定压力热线标定方法和引入叶表稳态静压进行速度解耦的方法,并对所提出方法的主要误差进行了分析评估。在此基础上进行了热线标定和边界层速度测量试验验证,明确了恒定压力热线标定数学模型系数随压力的线性变化规律,同时针对温度非线性影响提出了一种基于过热比调整的修正方法,该方法能够将约13℃的温度偏差对热线电压的影响降低到1%以内,进一步简化了恒定压力热线标定流程,结合基于叶表稳态静压的速度解耦方法,为亚声速可压缩流场叶片边界层瞬态速度测量提供了一种简单可行的高频响测速方法。

竖直波纹流道内超临界氮气流动与传热研究

本工作开展了不同质量流速[G=200~400 kg/(m^(2)·s)]、热流密度(q=200~400 kW/m^(2))和系统压力(P=5~7 MPa)对超临界氮气在竖直波纹流道内流动与传热特性影响的研究,分析了局部对流换热系数和周期平均对流换热系数分布特性,结合场协同原理和浮升力效应分析不同竖直流向之间对流换热系数差异产生的主要原因。结果表明,波纹周期内局部对流换热系数存在波动;周期平均对流换热系数能更好地反映超临界氮气在流道内的整体流动换热特性。提高质量流速可以显著增强换热,削弱流向对换热系数的影响;增加热流密度会降低流道内换热系数,强化流向对换热系数的影响;系统压力接近临界压力会提高流道内换热系数峰值,不同流向换热系数差异受系统压力影响较小;波纹流道内不同流向对流换热系数差异主要是由浮升力效应和场协同效应共同影响产生的。

基于圆柱封装单元的水合盐相变储热填充床的储释特性实验研究

水合盐相变储热技术具有储热密度高、成本低等优势,在清洁供暖中具有广阔应用前景。本研究设计并搭建了以三水合乙酸钠作为储热材料,以圆柱形相变材料封装单元作为基础单元的填充床相变储热装置。通过实验研究填充床储热装置的运行特性,研究了流量和储热温度对装置的储释热用时、出口温度、热效率及储热密度的影响。实验结果表明:提高储热温度和增大流量可缩短储热用时、提升热效率和储热密度。储热装置的热效率可达94.73%,储能密度可达71.77 kW·h/m^(3)。

基于响应曲面法的交错肋换热特性研究

为了深入了解交错肋进口雷诺数在104量级的换热特性,研究了肋倾角、肋宽与肋间距比和进口雷诺数对交错肋换热特性的影响。基于响应曲面法建立了交错肋回归模型,对数值模拟结果进行分析。研究发现各因素对交错肋换热性能的影响力为:肋倾角>肋宽与肋间距比>进口雷诺数。肋倾角减小,交错肋平均努塞尔数先增大后减小,肋倾角在30°~40°时平均努塞尔数出现极大值,肋倾角太小不利于换热。肋倾角每减小25°时,交错肋流阻系数平均增大10倍;当肋倾角增大时,交错肋流阻系数极大值向低雷诺数方向移动;当肋倾角大于35°时,肋宽与肋间距比和进口雷诺数对交错肋流阻系数影响较小。进口雷诺数与交错肋换热性能参数均呈正相关。交错肋在大肋宽与肋间距比、小肋倾角时的换热能力更强;在大肋宽与肋间距比、大肋倾角时的综合流动传热性能更好。

小球藻水热催化联产功能化碳材料过程反应特性研究

微藻水热碳化技术具有无需干燥高含水率微藻、反应溶剂绿色无污染、反应条件相对温和等优势,可用于制备碳点和水热炭等功能化碳材料,受到广泛研究关注。然而,目前微藻水热碳化制备的碳材料存在质量产率较低、性能较差的问题,需通过添加适宜的催化剂以提高碳材料的产率与品质。因此,研究了H_(2)SO_(4)、CH_(3)COOH、NaOH、Na_(2)CO_(3)等催化剂对蛋白核小球藻水热碳化制备碳点与水热炭的影响规律,并采用集总参数法建立了水热碳化过程中多相产物的生成反应动力学模型。研究结果表明,4种催化剂均能提高微藻碳点质量产率,其中NaOH可使碳点产率提高约73.3%。添加酸性催化剂使碳点尺寸变小,碳点平均粒径最小仅为1 nm;而在碱性条件下获得的碳点尺寸变化不明显,粒径主要集中在3.0~4.0 nm之间。在230℃和100 min条件下,CH_(3)COOH作为水热催化剂制备的微藻碳点的荧光量子产率最高可达7.88%,并在340 nm的吸收波长激发下发射出波长为420 nm的最强发射荧光。元素分析表明,4种催化剂均降低碳点中的N元素含量,且均能提高水热炭的高位热值。催化剂对水热炭高位热值的提高效果由强到弱为H_(2)SO_(4)>CH_(3)COOH>NaOH>Na_(2)CO_(3)。热重分析发现,在水热碳化过程中,微藻碳水化合物的水解转化比蛋白质更快;添加CH_(3)COOH可以促进蛋白质水解转化,而碱性催化剂不利于碳水化合物的水解转化,这4种催化剂对微藻脂质降解过程的影响均不明显。动力学分析发现,水热碳化过程中主要反应包括碳点聚合生成水热炭、微藻生物油的析出以及微藻降解生成其他相产物。碳点主要是通过其他相产物中的小分子聚合和微藻大分子裂解直接生成;在230℃、CH_(3)COOH催化条件下,微藻碳点较难发生水解,且微藻生物油水解后难以发生逆向反应。

旋转热管砂轮冷凝端单翅片对流换热仿真研究

为优化旋转热管砂轮冷凝端结构,在冷凝端添加翅片,增大散热面积,实现有效散热,从而提高换热能力。应用FLUENT软件对旋转热管砂轮冷凝端单翅片进行对流换热仿真研究,通过建模分析翅片高度、翅片厚度、冷风条件、转速对冷凝端换热性能的影响。研究表明,当翅片高度为6 mm,翅片厚度为1 mm时,冷凝端外壁面的平均对流换热系数最大,平均温度最低。当冷风压力为0.6MPa时,冷凝端换热性能较好。随着旋转速度的加快,冷凝端外壁面平均对流换热系数增大,表明换热能力不断提高。仿真研究结果为旋转热管砂轮冷凝端结构优化及后续磨削试验提供了参考,具有较高的实际工程应用价值。

工程热物理所风电复合材料叶片结构研究获进展

近年来,随着风电叶片尺寸的不断增大,复合材料叶片的结构强度和破坏问题愈发重要。为了减少叶片局部屈曲、叶根过渡段失效、承力梁帽分层等破坏模式对叶片结构安全性和可靠性带来的潜在威胁,中国科学院工程热物理研究所研究人员在不损失叶片气动性能的前提下,提出了大厚度钝尾缘叶根、大厚度叶中、阶梯厚度承力梁帽等创新结构设计概念;并利用非线性有限元数值分析方法和全尺度叶片弯曲承载力破坏试验,系统地分析了新型叶片在极限弯曲荷载下的结构响应特征,

工程热物理领域近期研究热点及态势分析

采用文献计量学方法对26种工程热物理领域重点刊物近5 a的文章进行分析,从年度发文情况、作者国别分布、作者合作情况、基金资助情况总结了该领域研究的基本态势,并对最近研究热点进行了总结。将近5 a 26种期刊的研究中心分为A、B、C、D、E 5个子聚类,即从5个维度分析工程热物理领域的研究热点,得到了5个研究热点。工程热物理领域研究热点可以总结为能源动力视角下的工程热物理相关的理论性研究,生物能源等新能源的获取、利用与评估等相关研究,节能储能等提升能源效率的方法和新型算法,微尺度的热物理材料的开发与利用以及工程热物理的社会化应用。

潜热型低熔点液态金属功能热流体的制备及热物理特性研究

为获得具有高效传热能力的散热工质,结合液态金属导热系数高,潜热型功能热流体表观比热大的优点,对正二十烷-蜜胺树脂微胶囊表面进行化学镀铜改性,再掺入低熔点液态镓中进行机械搅拌和超声振动,形成均匀稳定的相变微胶囊(Microencapsulated phase change material,MEPCM)-低熔点液态金属(Liquid metal,LM)悬浮液并进行形貌表征和热物理特性测试。结果表明,镀铜MEPCM的铜镀层包覆均匀,无Cu2O存在;镀铜MEPCM以及MEPCM悬浮液的相变区间相对于MEPCM未发生变化;悬浮液的潜热随微胶囊体积分数的增加而增大,体积分数为20%时悬浮液的表观比热可达单相镓的3.03倍,导热系数为单相镓的73%;悬浮液黏度随体积分数的增加而增大,随温度的升高而降低,体积分数小于20%时MEPCM-LM悬浮液仍可被近似看作是均匀的牛顿流体。

工程热物理学科中的若干解析解

介绍了蔡睿贤给出的工程热物理学科中典型的2组基本方程的解析解,即完全气体无粘可压流动的显式解析解和球体内不定常非Fourier导热的一维代数显式解析解.应用加法分离变量法。

多相流热物理研究的进展

首先阐述了工程热物理领域中研究多相流动及其传热传质规律这一新的学科分支─—多相流热物理学的重要意义及其在我国国民经济发展中的作用和地位，其次介绍了西安交通大学在这一方面的研究工作，特别是近十五年来研究多相流及其传热特性开展的情况，最后提出了今后多相流热物理方面研究工作发展的方向和趋势。

热力循环——工程热力学的一个永恒研究方向

概述了上世纪热力循环研究的传统思路与主要内容 ,论述了新世纪热力循环研究的前沿与热点。鉴于热力循环对热力学和动力机械发展的重要意义以及工程热力学主要研究对象仍在能源动力领域 ,强调指出热力循环是工程热力学的一个永恒研究方向。

热再生电池堆-二氧化碳电化学还原池系统耦合特性

为了减少工业烟气中余热与CO_(2)的排放,本文提出了热再生电池堆-二氧化碳电化学还原池系统(TRBCO_(2)RR)。该系统通过串联多个非水系热再生电池(thermally regenerative battery,TRB)构建电堆,并将其用于驱动CO_(2)电化学还原(electrochemical reduction of CO_(2),CO_(2)RR)。本文研究了CO_(2)电化学还原特性、非水系TRB电堆性能及非水系TRB-CO_(2)RR系统耦合特性。研究结果表明,碳纸负载纳米银多孔电极上催化剂分布较为均匀,在-1.8V电位下(对应的槽电压为5.1V)表现出最佳的电化学还原CO_(2)性能,其CO法拉第效率达到了最佳值78.7%。为此,构建了6个子电池的串联电堆,开路电压达到7.2V左右,最大功率为235mW,在34min内放电相对稳定。运行非水系TRB-CO_(2)RR耦合系统后,电堆未出现反极现象,CO法拉第效率(73.1%)接近稳定电源所获得的最佳值。未来研究可通过优化催化剂和电堆设计,有望进一步提高耦合系统CO_(2)RR转化效率。

C/CO_(2)摩尔比对CO_(2)气氛流态化预热活化半焦特性的影响

我国工业领域涉及的行业多,碳减排压力大。富氧燃烧是燃烧中碳捕集的核心工艺,将流态化富氧预热活化与工业窑炉富氧燃烧过程耦合是拓宽燃料适应性、实现工业领域燃烧中碳捕集的新途径。利用小型流化床连续给料实验系统,在1050℃、CO_(2)流化速度为0.17 m/s条件下,通过调整给料速度,考察C/CO_(2)摩尔比(CC比)对半焦原料(RC)流态化预热活化的影响,分析煤气组分及低位热值,计算CO_(2)还原率,表征粗颗粒活化半焦(LC)和细颗粒活化半焦(FC)的比表面积、孔隙结构和碳架结构,并利用高温管式炉热天平实验系统评价了RC和FC在1300℃条件下的反应活性。结果表明:采用流态化预热活化技术实现了CO_(2)的资源化利用,制备出富CO煤气,CC比由1增至4时,煤气中CO+H_(2)体积分数由69.24%增至79.08%,CO体积分数最高为68.96%,CO_(2)体积分数由29.48%降至20.13%,CO_(2)还原率由50.37%提升至57.56%,煤气低位热值由8.69 MJ/m^(3)增至9.83 MJ/m^(3),是参考文献所述工程产出煤气低位热值的1.55~1.88倍,有利于窑炉系统的着火及稳定燃烧。随CC比增加,FC和LC的比表面积先增加后减小,FC和LC的最高比表面积分别为291.21 m^(2)/g和477.15 m^(2)/g,分别为半焦原料的48倍和78倍;FC和LC具有丰富的微孔结构,且石墨化程度比RC降低、活性点位增加;FC和LC的微孔面积占比表面积的54.93%~68.42%;相比较而言,LC具有更高的比表面积和增量孔容积,主要是由于LC在反应器内的停留时间较长,促进了孔隙的发展,形成了大量微孔。不同CC比条件下所得FC的反应活性指数R0.5、质量平均反应速率均高于RC,表明FC具有较高的反应活性,可预测在高温气固活化态热燃料燃烧过程中,FC将实现高效转化。提出了碳基燃料流态化富氧预热活化-高温气固活化态热燃料富氧燃烧的新思路,获得了CC比对CO_(2)气氛流态化预热活化半焦特性的影响规律,揭示了CO_(2)作为碳和氧载体的积极作用,研究结果为流态化预热活化技术在工业窑炉富氧燃烧行业的应用提供了数据支持。

面临新世纪机遇的工程热物理

20世纪上半叶,发生了两次世界大战,需要生息将养,迎来了下半叶的相对平稳和繁荣,促进了科学技术的突飞猛进,从而形成知识爆炸。但人口激增,资源有限,发展中国家的工业化造成对能源动力需求的苛求与环境恶化。资源、人口与环境成为当前国际社会的三大问题,萌发出返归自然的哲学思潮,要求作可持续发展的战略考虑。 日新月异的高技术发展,使科学与技术的传统界限日渐模糊。学科的人为分割和分化面临着更多的挑战,高科技正推动着学科间的交叉并使其趋向于新的组合与重整。这种相互交叉和开拓的趋向将是今后不断形成新学科前沿的主流。