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基于内置光纤/导光管反应器的微藻固碳减排研究

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煤炭科学技术 2024年第2期52卷 329-337页

作者：夏奡任柯欣张敬苗黄云朱贤青朱恂廖强重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆400044 重庆大学工程热物理研究所重庆400044

我国燃煤电厂每年排放CO_(2)超过57亿t,为保障双碳目标如期实现,必须大幅降低燃煤电厂的CO_(2)排放。微藻固碳通过高效的光合作用吸收CO_(2)转化为生物质,是极具潜力的燃煤电厂减碳技术,但目前微藻固碳性能严重受限于反应器内光传输。... 详细信息

我国燃煤电厂每年排放CO_(2)超过57亿t,为保障双碳目标如期实现,必须大幅降低燃煤电厂的CO_(2)排放。微藻固碳通过高效的光合作用吸收CO_(2)转化为生物质,是极具潜力的燃煤电厂减碳技术,但目前微藻固碳性能严重受限于反应器内光传输。导光管可灵活调节反应器内光分布,而光纤可集中传输光线且光损耗低,因此提出光纤/导光管微藻光生物反应器,扩大藻液受光面积,增加藻细胞色素的光捕集,促进微藻光合固碳。利用光学仿真软件对光纤/导光管内传输的光线进行追踪,获得了光纤/导光管管壁的光强分布。在不同反应器、输入光能条件下进行微藻培养实验,获得了微藻生物量、固碳速率与叶绿素含量的变化趋势,分析了内置光纤/导光管对微藻固碳的影响规律。结果表明:平面末端的光纤射出光的光强在导光管侧30~140 mm内迅速下降,导光管发光范围集中。在导光管底部添加锥形反光件反射抵达管底的透射光、并设计阶梯型光纤使输入光由不同阶梯分级发出,可使微藻光生物反应器内光分布更加均匀,反应器内部远离光源区域的藻细胞可以有效接受光能进行光合固碳。当光能输入为3.3 W/L时,含两级阶梯结构光纤和锥形反光件的导光管管侧表面最低光强为47μmol/(m^(2)·s),平均光强达64μmol/(m^(2)·s),较无光纤仅顶部给光的导光管侧面平均光强提高了2.6倍。微藻在插入阶梯型光纤的光生物反应器(SF-PBR)培养7 d后生物量达到1.9 g/L,比在插入平面端光纤的光生物反应器(FF-PBR)中培养的生物量高46.2%,比仅顶部受光的光生物反应器(LG-PBR)中培养的生物量高111.1%。当提升光源输入至5.0 W/L,微藻培养7 d后的生物量高达2.8 g/L,培养期间保持高固碳速率(608.3 mg/(L·d)),比对照组LG-PBR的固碳速率提高1.9倍。

关键词：固碳微藻光生物反应器光纤导光减排

热再生电池堆-二氧化碳电化学还原池系统耦合特性

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化工进展 2024年第5期43卷 2568-2575页

作者：李思陶艺月肖振翀张亮李俊朱恂廖强重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆400030 重庆大学工程热物理研究所重庆400030

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(electroc... 详细信息

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。

关键词：热再生电池 CO_(2)电化学还原串联电堆产电功率稳定性法拉第效率电化学回收

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分级孔碳基复合电极热再生电池性能强化

工程热物理学报 2024年第1期45卷 199-204页

作者：安一超张亮蒋强李俊付乾朱恂廖强重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆400030 重庆大学工程热物理研究所重庆400030

本文以分级孔碳材料为基底构建Cu/C复合电极,获得稳定的电极骨架和高电极比表面积,提升了热再生电池性能。实验对比研究了复合电极电池性能,探究了关键制备参数的影响。结果表明,采用复合电极电池最大功率密度(70.6 W·m^(-2))相对于泡... 详细信息

本文以分级孔碳材料为基底构建Cu/C复合电极,获得稳定的电极骨架和高电极比表面积,提升了热再生电池性能。实验对比研究了复合电极电池性能,探究了关键制备参数的影响。结果表明,采用复合电极电池最大功率密度(70.6 W·m^(-2))相对于泡沫铜电池(32.2 W·m^(-2))提高了119%,这主要是由于其比表面积的提升。在一定范围内提升碳化温度和造孔剂比例,能有效提高电极比表面积,电池性能也随之增大。考虑能量输入,制备Cu/C复合电极的最佳碳化温度为800℃,最佳造孔剂比例为10:1,电池获得最大功率密度为87.2 W·m^(-2)。

关键词：热再生电池分级孔复合电极电极比表面积传质最大功率密度

具有高浓度氨腔室的立式热再生氨电池性能特性

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化工进展 2024年第3期43卷 1224-1231页

作者：卢志强石雨陈鹏宇张亮李俊付乾朱恂廖强重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆400030 重庆大学工程热物理研究所重庆400030

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... 详细信息

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)。

关键词：热再生氨电池高浓度氨腔室产电稳定性最大输出功率氨渗透

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壁载纤维素酶微反应器内传递及转化特性

工程热物理学报 2024年第3期45卷 785-791页

作者：林凯夏奡黄云朱贤青朱恂廖强重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆400030 重庆大学工程热物理研究所重庆400030

壁载纤维素酶微反应器能够实现纤维素类生物质水解制备葡萄糖,为后续微生物能源转化提供原料。本文对壁载纤维素酶微反应器内羧甲基纤维素模型化合物的酶解糖化进行了实验与模拟研究,获得了内表面结构对微反应器物质传递及酶解反应的影... 详细信息

壁载纤维素酶微反应器能够实现纤维素类生物质水解制备葡萄糖,为后续微生物能源转化提供原料。本文对壁载纤维素酶微反应器内羧甲基纤维素模型化合物的酶解糖化进行了实验与模拟研究,获得了内表面结构对微反应器物质传递及酶解反应的影响规律。模拟结果表明,相较于等边三角形、半圆形等内表面结构,设置高矩形结构对微反应器内葡萄糖生产的促进显著。此外,具有高矩形结构的微反应器单位压降下的出口葡萄糖浓度最高,有利于实际应用。相较于增加表面结构尺寸,减小结构间距具有更好的强化效果。在最适表面结构参数下,对于不同黏度的酶解反应,出口平均葡萄糖浓度的提升率均高于7.0%。

关键词：微反应器物质传递壁载酶催化表面结构数值模拟

带肋方腔中单极注入诱导的电对流数值模拟研究

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工程热物理学报 2024年第1期45卷 122-128页

作者：彭权周鑫王宏朱恂陈蓉丁玉栋廖强低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆大学工程热物理研究所重庆400030

本文设计了带不同形状肋片的二维方腔电对流物理模型,基于OpenFOAM的FVM框架耦合求解Navier-Stokes方程、电势的Poisson方程以及电荷守恒方程,研究了带肋方腔电对流的形成机制及流动特性。研究结果表明:带肋方腔肋片表面因电场强度较大... 详细信息

本文设计了带不同形状肋片的二维方腔电对流物理模型,基于OpenFOAM的FVM框架耦合求解Navier-Stokes方程、电势的Poisson方程以及电荷守恒方程,研究了带肋方腔电对流的形成机制及流动特性。研究结果表明:带肋方腔肋片表面因电场强度较大成为主要的电荷注入区域,最终形成了中轴线处的电羽流以及两侧对称的电荷空白区,流场为主体双涡对称、四角分布角涡;随着电瑞利数T的增大,电对流强度提高,当T超过某一阈值Tc时,电对流流型从稳定状态转变为不稳定状态;在强化电对流和稳定流型方面,带矩形肋方腔均具有最优性能,其电对流强度比带三角肋方腔提高了12.8%。

关键词：单极注入电对流数值模拟

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基于相变技术的便携式储冷箱性能研究

制冷学报 2024年第1期45卷 145-157页

作者：张文宇赵长颖上海交通大学工程热物理研究所上海200240

在冷链运输末端温度失效问题普遍存在,本文基于相变技术设计了适用于-18℃以下的冷链末端运输的冷能储存箱。研究了储冷箱在环境温度、真空板厚度、相变材料的种类及其与真空板相对位置等参数变量影响下箱体的温度场特性和储冷性能,并... 详细信息

在冷链运输末端温度失效问题普遍存在,本文基于相变技术设计了适用于-18℃以下的冷链末端运输的冷能储存箱。研究了储冷箱在环境温度、真空板厚度、相变材料的种类及其与真空板相对位置等参数变量影响下箱体的温度场特性和储冷性能,并对不同位置相变材料板单独存在时的储冷性能进行分析。结果表明:储冷箱有良好的抵抗外界温度变化的能力,且装配真空板时最大有效保冷时间延长至29.26 h,相变材料布置在真空板内侧时有效保冷时间延长54.3%。基于实际应用温度所研究的4种相变材料中,相变温度为-21.55℃的2-辛酮储冷性能最佳。对不同位置的相变材料板单独分析发现,底部板对储冷箱整体的储冷效果贡献最大,其单板保冷系数为0.454。

关键词：冷藏单元蓄冷相变材料性能系数

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尿素/过硫酸钠纸基微流体燃料电池产电特性

工程热物理学报 2024年第2期45卷 525-534页

作者：陈曦叶丁丁朱恂杨扬兰巧陈蓉廖强重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆400030 重庆大学能源与动力工程学院工程热物理研究所重庆400030

本文提出一种尿素/过硫酸钠完全被动式纸基微流体燃料电池,通过方波电流法将非贵金属镍催化剂电沉积到碳纸上制备阳极,阴极无需催化剂负载,电池成本大大降低。在不同结构及燃料、氧化剂、电解液浓度下测试了电池性能,结果表明,双层纸结... 详细信息

本文提出一种尿素/过硫酸钠完全被动式纸基微流体燃料电池,通过方波电流法将非贵金属镍催化剂电沉积到碳纸上制备阳极,阴极无需催化剂负载,电池成本大大降低。在不同结构及燃料、氧化剂、电解液浓度下测试了电池性能,结果表明,双层纸结构能大幅提高反应物流速,强化反应物传质,提高性能;电池在电极间距为6 mm、燃料浓度为0.3 mol·L^(-1)、氧化剂和电解液浓度均为1.0 mol·L^(-1)时,峰值功率密度和极限电流密度分别为5.9 m W·cm^(-2)和23.5 m A·cm^(-2),且运行稳定性较好。

关键词：尿素/过硫酸钠纸基微流体燃料电池性能稳定性

超亲气泡沫铜纳米线电极电化学还原CO_(2)性能

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化工进展 2024年第3期43卷 1232-1240页

作者：王凯叶丁丁朱恂杨扬陈蓉廖强重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆400030 重庆大学能源与动力工程学院工程热物理研究所重庆400030

利用可再生电能进行电化学还原CO_(2)被认为是一种有前景的储能和减排技术,但在阴极发生析氢副反应,将降低电化学还原CO_(2)的性能。采用泡沫铜为基底制备铜纳米线电极扩展电极的电化学活性面积,然后通过十七氟癸基三甲基硅烷对电极进... 详细信息

利用可再生电能进行电化学还原CO_(2)被认为是一种有前景的储能和减排技术,但在阴极发生析氢副反应,将降低电化学还原CO_(2)的性能。采用泡沫铜为基底制备铜纳米线电极扩展电极的电化学活性面积,然后通过十七氟癸基三甲基硅烷对电极进行亲气处理,使电极表面从疏气状态变为超亲气状态,从而强化气相反应物CO_(2)传质,增加反应三相接触线,提高电极的电化学还原CO_(2)性能。实验结果表明:与未亲气处理的泡沫铜纳米线电极相比,所制备的超亲气泡沫铜纳米线电极虽然具有较小的电化学活性面积,但其超亲气的特性更有利于CO_(2)的传质,抑制了电解液中氢离子的传输,有效削弱了析氢副反应的发生。在电解电位为-1.5V(vs.Ag/AgCl)时,H_(2)法拉第效率降低了17.7%,电化学还原CO_(2)性能提升。

关键词：电化学还原二氧化碳铜纳米线超亲气传质