2024年, 第12卷, 第5期　
刊出日期：2024-10-31

  

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  城市污泥与微藻共水热液化水相产物特性分析

  郝博天, 刁云飞, 徐东海, 龚雪晗, 徐铭欣, 郑佩瑶

  新能源进展. 2024, 12(5): 503-510. https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2024.05.001

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  城市污泥作为一种城市化进程中的废料,对城市发展、环境保护和资源再利用是一种新挑战。城市污泥与微藻共处理可以改善生物燃料的理化性质,提高处理过程的能源效率。开展了城市污泥和微藻共水热液化实验,通过调控反应温度、反应时间、生物质/水比率和污泥/生物质比率操作参数探究水相产物特性化学需氧量、总氮、氨氮的变化情况。结果表明,响应面对水相化学需氧量、总氮、氨氮特性均有较好的拟合效果,四个操作参数中生物质/水比率和污泥/生物质比率对水相特性的影响最大。且在反应温度为341.44 ℃,反应时间为37.81 min,生物质/水比率为0.08 g/mL和污泥/生物质比率为0.653时,可以获得化学需氧量、总氮、氨氮含量最低的水相。
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  厨余垃圾厌氧消化过程的生命周期评价：以湖南省娄底市为例

  李帅, 李晓东, 夏声鹏, 管冬辉, 赵坤

  新能源进展. 2024, 12(5): 511-519. https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2024.05.002

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  选取湖南省娄底市厨余垃圾处置过程为研究对象,基于生命周期评价方法分析处置过程各个环节对环境和能源的影响,解析各功能单元的环境影响贡献,并结合经济性分析提出优化方案。结果表明,厨余垃圾处置过程对环境酸化潜值、人体毒性和水生生态毒性、富营养化和陆地生态毒性等方面具有一定程度的负面影响,主要是由于污水净化阶段带来的负面效应,处置过程中的非生物资源消耗主要源于污水净化过程中所使用的碱性物质和运输转运过程中的化石能源消耗,而沼气利用过程所产生的收益则可在一定程度上抵消对环境产生的负面影响。与沼渣焚烧工艺相对比,沼渣堆肥工艺的碳排放降低了54%,其他废气排放降低了76%,同时可增加11 827 t有机肥,具有明显的环境优势和副产物优势。结合经济性分析,可从减少能耗、增加沼气产气率、回收粗油和沼渣等副产品方面着手,尽可能提高厨余垃圾处置过程的环境效益和经济效益。
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  基于蓄热式固定床气化装置的木质生物质固废气化CFD模拟

  孙泽芃, 顾菁, 王亚琢, 刘泽健, 袁浩然

  新能源进展. 2024, 12(5): 520-531. https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2024.05.003

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  基于计算流体力学-稠密离散相模型,建立新型蓄热式气化装置的数值模拟模型,根据上吸式固定床气化特性优化了前处理设置,研究不同过量空气系数下炉内流体流速、压力、温度与组分的分布,分析炉内各组分质量分数在不同时刻及过量空气系数下的分布及演化规律。研究表明,颗粒床层为影响流体流速、压降的主要因素,流体流经床层产生了50 ~ 75 Pa的压降。炉内温度场呈现明显的干燥-热解-还原氧化分区,各工况的温度曲线几乎重叠,大致存在4个拐点。在低过量空气系数区间,气化剂流率的提升对燃气组分影响不大。气化装置的设计有利于提升燃气中H₂的质量分数及CO/CO₂的质量分数之比,有效提升了燃气热值。
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  气液喷射升压有机朗肯循环特性

  熊远帆, 孙斌, 李华山, 龚宇烈

  新能源进展. 2024, 12(5): 532-541. https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2024.05.004

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  针对小型有机朗肯循环工质泵效率低、耗功大等问题,将气液喷射器取代工质泵作为升压设备,基于喷射器一维模型,构建了气液喷射升压有机朗肯循环（IORC）的热力模型。以140 ℃的中低温热源为驱动力,R245fa为工质,研究了喷射器引射系数、喷射器面积比以及冷凝器出口过冷度3个参数对IORC性能的影响,并将IORC与基本有机朗肯循环（BORC）的热力性能进行对比。结果表明,存在一个最佳引射系数和过冷度,使IORC的净输出功达到最大值。引射系数和面积比的增加均会使喷射器升压比降低,而过冷度的增加会使升压比增加。3个参数的增加均会使喷射器㶲效率和换热器经济性降低。IORC的换热器经济性比BORC更好,当工质泵效率低于52%时,IORC净输出功更具优势。
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  硅氧碳氮新型硅负极材料的制备及其电化学性能

  钟琪, 余德馨, 赵欣悦, 傅儒生, 张灵志

  新能源进展. 2024, 12(5): 542-547. https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2024.05.005

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  以3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）与甲醛为原料通过烷氧基水解和席夫碱反应生成前驱体,高温热解制备硅氧碳氮（SiOCN）复合负极材料。比较研究了商用的电解液添加剂氟代碳酸乙烯酯（FEC）和自制的有机氟硅电解液添加剂（MFSM2）在SiOCN电池中的电化学性能。与使用基础电解液相比,在使用MFSM2和FEC后电池可逆容量从614.6 mA∙h/g分别提高至899.9 mA∙h/g和886.9 mA∙h/g,库仑效率从58.3%分别提高至62.2%和62.8%。循环伏安、电化学阻抗谱、扫描电子显微镜等分析结果表明,加入添加剂后在SiOCN电极表面反应形成稳定均匀致密的固体电解质界面膜,减小了界面阻抗,提高了离子传输速率,从而提高了SiOCN电池的电化学性能。
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  离子液体提取天然虾青素的研究进展

  王乐民, 龙光才, 陈正件, 龙金星

  新能源进展. 2024, 12(5): 548-556. https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2024.05.006

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  虾青素是一类重要的叶黄素类胡萝卜素,由于其独特的分子结构和优异的抗氧化性被广泛应用于食品、化妆品及制药等行业。虾青素分为天然虾青素和合成虾青素,其中天然虾青素的抗氧化活性远高于合成虾青素,且消费者对天然虾青素的偏好及需求量日益增加。因此,从生物资源中提取天然虾青素具有更高的市场价值和应用潜力。相比于有机溶剂作提取剂,离子液体因溶解性能好、可循环利用、低挥发性及结构可设计性等优点使其在天然虾青素提取领域取得显著的研究成果。介绍了天然虾青素的结构与性质、应用与来源,综述了其常用的提取方法,并着重阐述了近年来离子液体体系提取天然虾青素的研究进展,以期对天然虾青素提取的深入研究与开发应用提供参考。
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  甲烷水合物形成对蒙脱石表面区域电学特性的影响：分子动力学和有限元数值模拟

  武晓菲, 邢兰昌, 魏伟, 韩维峰, 吕笑焱, 钟杰

  新能源进展. 2024, 12(5): 557-568. https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2024.05.007

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  含天然气水合物泥质沉积物的电学特性是反演水合物饱和度、渗透率等储层参数的重要物理性质。甲烷水合物形成对黏土矿物颗粒表面电学性质的影响机制尚不明晰,制约了对骨架颗粒表面电导及沉积物电性参数的准确建模和计算。提出分子动力学（MD）与有限元（FE）数值模拟相结合的新方法,基于Gouy-Chapman-Stern（GCS）理论建立无/含水合物-蒙脱石-NaCl溶液体系的MD和FE数值模型,探讨甲烷水合物形成对蒙脱石表面双电层性质和表面区域电势分布的影响规律及机理。研究结果表明：（1）利用MD模型可获得含水合物条件下蒙脱石表面双电层中Stern层和扩散层的厚度以及溶液中离子的扩散系数,为FE模型提供双电层结构参数与离子运动参数,基于FE模型可分析蒙脱石表面区域电势分布特性;（2）蒙脱石表面形成稳定致密的钠离子层与界面水层,甲烷分子无法在蒙脱石表面生成水合物,因此水合物不影响Stern层而仅侵占部分扩散层区域;水合物形成过程中“排盐效应”使溶液的盐离子浓度增大,对扩散层中Na⁺ 产生排斥作用,使扩散层中的部分Na⁺ 进入Stern层,导致扩散层变薄;水合物的生长降低了溶液中离子的扩散系数;（3）水合物对扩散层的侵占使得扩散层部分区域的相对介电常数发生变化,引起该区域中电势的非均匀分布;水合物的存在不影响Stern层内的电势分布,但被水合物侵占的扩散层部分相对介电常数变小,引起扩散层内平均电势的升高;随着水合物与黏土颗粒表面距离的增加,平均电势逐渐降低。研究结果可为认识含水合物泥质沉积物中骨架颗粒的电学特性、量化颗粒表面电性参数提供理论和模型基础。
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  氢能产业现状及人工智能在氢能产业中的应用

  李卫斌, 吴昌元, 雷亮, 付斌斌

  新能源进展. 2024, 12(5): 569-579. https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2024.05.008

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  随着全球二氧化碳排放量的增加,温室气体浓度不断上升,给人类和地球生态系统带来了极大的影响。氢能源因其储量丰富、高能高效、零碳排放等特点,被视为实现碳达峰碳中和目标的关键手段,正在引发一场深刻的能源革命。介绍了氢能产业链中的关键技术环节,包括氢能制取、氢能储运、氢能加注以及氢能使用等,讨论了人工智能在氢能产业中的应用,并对未来氢能与人工智能技术的融合发展进行了探讨。
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  典型丙醚二级加氧产物的氢转移裂解反应理论研究

  刘猛, 沈宇豪, 颜应文, 田泽民

  新能源进展. 2024, 12(5): 580-587. https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2024.05.009

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  低温燃烧是一种有前景的高效清洁燃烧技术。其关键问题之一在于可靠地构建燃料低温氧化化学动力学机理。丙醚作为一种可再生清洁燃料,在低温燃烧方面有较高应用潜力,然而,其关键低温氧化反应的研究却十分缺乏。基于量子化学和过渡态理论,考虑物种的多重构象效应,计算三种典型的正丙醚/异丙醚二级过氧化物OOQOOH经过氢转移-裂解生成氢过氧化物醛酮类物质和OH基的反应势能面、热力学数据和反应速率常数。结果表明,多重构象效应对物种的焓、熵、定压比热容及速率常数有明显影响,计算时不可忽略。获得的热力学数据和反应速率常数可用于完善丙醚燃料低温氧化机理。
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  井下流体抽注强制对流作用下超长重力热管地热系统取热强化增产研究

  孙弘韬, 黄文博, 刘鲲鹏, 王翠华, 陈娟雯, 郭剑, 蒋方明

  新能源进展. 2024, 12(5): 588-596. https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2024.05.010

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  采用超长重力热管开采深部地热资源能够有效避免增强型地热系统存在的工质损耗、结垢腐蚀以及地下连通困难等问题,但重力热管地热系统取热速率受限于热储的低导热率。提出一种井下流体抽注强制对流换热方案,对井下热管与热储之间流体流动传热过程进行数值模拟,获取了流场和温度场的变化规律,对比了井下流体静止和流动情况的采热性能,分析了不同质量流量、抽注时间比、周期时长对采热性能的影响。结果表明：井内抽注流动可以显著增强热管系统的采热性能,增大抽注流量能够提高采热率;慢抽快注的方式对采热率有明显的提升效果,抽注时间比越大采热性能越好;采热总时长不变,抽注周期时长越大对采热性能提升效果越明显。
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  三种动物粪便与甜高粱混合批次产甲烷潜能比较

  任海伟, 田海东, 刘美琪, 张浩, 丁闻浩, 李金平

  新能源进展. 2024, 12(5): 597-604. https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2024.05.011

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  为评估不同粪便对甜高粱原料利用率的影响,在温度为（37 ± 0.5）℃、甜高粱与动物粪便的挥发性固体（VS）质量比为1∶1的条件下,比较了甜高粱与奶牛粪（SCM组）、猪粪（SPM组）和羊粪（SSM组）进行混合厌氧消化的产气性能,应用修正的Gompertz方程分析了甲烷产生的动力学过程。修正的Gompertz模型显示,各试验组相关系数R² = 0.983 ~ 0.997,SCM组具有最大产甲烷速率（r_m）78.37 mL/(g∙d)（以VS质量计）,较甜高粱原料组（SS组）提升了115.30%。在三个混合消化实验组中,SCM组具有最大的累积产沼气率、日产甲烷率和累积产甲烷率,分别为556.98、93.68和274.51 mL/g（以挥发性固体质量计）。SPM组具有61.60%的最大甲烷体积分数。SSM组的日产甲烷率较SS组降低了16.33%。SCM、SPM和SSM组的协同效应指数分别为26.15%、15.71%和28.24%。实验结果表明,SCM组更好地弥补了SS组具有高碳氮比的缺陷,实现底物间的优势互补,与SPM和SSM组相比,SCM组的累积产沼气率、日产甲烷率和累积产甲烷率更优。通过添加不同底物对产气率、产甲烷率和厌氧消化参数的比较,可为甜高粱在沼气工业中的利用提供理论依据。
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  含针翅结构的复合相变腔体传热特性

  仲崇龙, 陈宝明, 李坤, 马超富, 李鸿臣

  新能源进展. 2024, 12(5): 605-615. https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2024.05.012

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  相变材料具有相变潜热大、热稳定性好等优点,但自身存在导热系数低、换热储能效率低等问题。为改善相变材料导热系数低的问题,采用数值模拟方法,模拟在石蜡腔体内添加铜针翅的复合相变过程,分析加热面和针翅在腔体上方、左侧、下方的模拟工况,并且深入探讨不同工况下针翅对石蜡相场、温度场、速度场、融化时间和储热效果的影响。结果表明：顶部加热和布置针翅会严重抑制自然对流的形成,降低换热效率,延长完全融化时间。加热面和针翅布置于方腔底部时,明显改善了方腔内液相石蜡的分布,使得热量更加均匀地分布在整个腔体中,对相变材料的融化促进效果最优。完全融化时间比纯石蜡融化缩短了63.7%,储热速率达到了16.55 W,是顶部布置加热面和加热针翅的6.84倍。
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  能源匮乏型城市新型电力系统构建的电源侧多情景分析——以广州市为例

  朱志芳, 王文秀, 林紫菡, 董红, 高艳娜, 胡柳君, 蔡国田, 卢俊瞳, 郝伟韬

  新能源进展. 2024, 12(5): 616-626. https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2024.05.013

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  “安全高效”“清洁低碳”是构建新型电力系统的基本要求和核心目标。化石能源、可再生能源“双匮乏”的超大型城市在新型电力系统电源侧建设方面面临巨大挑战。构建指标体系并量化探测电源侧建设现状、未来趋势和存在的短板是精准推动新型电力系统建设的关键环节。以具有“能源匮乏严重、电力负荷密度极高”典型特征的广州市为例,构建新型电力系统电源侧指标体系,设置六种可能的供电情景,分析不同情景下新型电力系统的特征演进趋势,探寻能源匮乏型城市构建新型电力系统的突破口。结果显示,广州市电力自给率逐年提升,至2030年,A₅情景下电力自给率可以达到80%,其他情景下可达68%。但电量自给率在“十五五”期间不升反降,2030年A₅情景最高可达50%,A₁情景最低仅有36%,电力电量差距大,电力供应安全依然难以保障。六种供电情景下,A₃情景相对最为清洁低碳,A₅情景最为安全,A₄情景在不同阶段可以兼顾安全和低碳,政府可根据其发展目标和侧重点选择最适合的发展情景。广州市构建新型电力系统最大的短板是“低清洁度”,而广州市无法通过发展本地高比例可再生能源来破解这一难题,提高外购电的可再生能源比例才是其最优突破口。到2030年,外购电中可再生能源供电占总用电量的比例分别提高至35%、40%和45%左右时,广州市可以分别实现慢速、中速和快速新型电力系统电源侧建设目标。研究可为构建新型电力系统指标体系奠定前期研究基础,为能源匮乏型城市探索出一套新型电力系统电源侧构建的最佳组合模式。