热科学与技术杂志

热科学与技术杂志2019年第3期

• 多孔介质内甲烷水合物生成动力学研究

  王山榕,刘卫国,杨明军,宋永臣

  天然气水合物作为一种潜在的新型潜在替代能源，分布广泛、储量巨大。水合物生成动力学特性对于了解自然界天然气水合物形成规律与水合物相关技术应用具有重大意义。本文针对甲烷水合物生成动力学特性进行研究，设计开发了甲烷水合物生成测试系统，研究了不同温度和不同孔隙粒径的多孔介质对于水合物生成动力学的影响。结果表明，随着温度的降低以及多孔介质孔隙粒径的减小，甲烷水合物生成过程中的气体消耗速率越快，生成结束时消耗的气体的量越多。同时，利用水合物生成多步骤机制模型，获得了甲烷水合物生成过程各中间产物的变化规律。

• CaO低温预处理作用下市政污泥有机物迁移规律及与粘滞性的关联

  邓文义,韩潇冉,刘亚军,苏亚欣

  通过向机械脱水后污泥中添加CaO粉末,在不同预处理时间和温度条件下,测量污泥提取液中蛋白质和多糖的含量,探究不同预处理条件对污泥上清液中有机物含量变化的影响,以及对污泥表面粘附性的影响。测量结果表明,预处理时间的延长会提高污泥上清液中有机物含量；预处理温度的升高也会提高有机物含量；CaO粉末的添加能提高有机物含量,但是添加剂含量过高反而会降低有机物含量,如10%CaO添加量时有机物含量反而减少。研究发现,随着CaO引入,污泥表面粘性有明显增加,并推断这和CaO导致的胞内高粘性有机物大量释放密切相关。采用旋转粘度计测量不同CaO含量污泥的粘度值,结果表明,随着CaO添加量的增加,污泥粘性明显降低,但CaO含量达到8%和10%时,污泥混合物的粘度则随时间延长开始增加。

• Fe2O3添加对松木屑热解的影响特性分析

  庞赟佶,许月,陈义胜,沈胜强,殷吾真,王雪丽

  为了探究松木屑粉末在不同比例的Fe2O3添加下的焦油产率、残炭产率、气体产率和气体组分的变化规律，采用热重和管式加热炉热解的方法对松木屑粉末进行实验研究。实验在N2气氛保护下，以50℃/min的升温速率，终温分别为350℃、450℃、550℃、650℃和750℃时研究松木屑粉末的热解变化规律。实验结果如下：随着温度的升高，在无添加下松木屑粉末的焦油产率和气体产率逐渐升高，而残炭产率有所下降。分析气体组分变化可知，随着温度的升高CO2下降趋势较为明显，CO与CnHm基本保持不变，CH4与H2出现明显上升。添加Fe2O3可以有效降低松木屑粉末的焦油产率、残炭产率，提升气体产率，原料中Fe2O3比例越高效果越明显。添加15% Fe2O3在750℃时的焦油产率相比于纯松木屑热解降低4.25%，气体产率提升8.57%，此时的H2产率为44.42 L/kg，表明Fe2O3具有良好的催化效果。

• 渐变孔隙率对泡沫铝矩形通道热沉流动和换热性能的影响

  范爱武,杨景珊,向熊,赵亮

  风冷是最普遍的电子器件散热方式。对填充渐变孔隙率泡沫铝的热沉的流动与换热性能进行CFD模拟，考察了孔隙率分别沿流动方向和高度方向发生梯度变化对热沉性能的影响。结果表明：与均匀孔隙率热沉相比，孔隙率沿高度方向渐变的热沉压力损失减小，最佳的孔隙率渐变方式为沿高度方向由0.963递减至0.7000，当量孔隙率0.8315的均匀孔隙率热沉相比，明显提高了泡沫铝热沉的综合性能。当进口速度高于3.0·ms-1后，渐变孔隙率热沉的综合性能甚至优于高孔隙率（0.9630）的均匀孔隙率热沉。

• 质子交换膜燃料电池建模及水热传输特性分析

  蒋杨,焦魁

  针对质子交换膜燃料电池（PEMFC）水管理开展了研究，建立了一维非等温两相流解析模型，研究了不同电流密度、微孔层接触角和不同加湿方案对电池内部水分布和温度分布的影响，提出了更好的进气加湿方案。结果表明：电流密度增大会导致阳极拖干、阴极水淹加剧，导致电池各部分温度上升。因各层材料亲水性不同，在交界面处能观察到液态水阶跃现象。增大微孔层接触角促进阴极液态水反扩散到阳极，一定程度上缓解阳极变干，但过大的接触角可能导致阴极水淹加剧。通过采取“阳极充分加湿、阴极低加湿”的进气加湿方案可以有效提高电池性能，并且能在一定程度改善电池内部受热，提高电池使用寿命。

• 基于VGT控制参数的柴油机低速变海拔热平衡试验

  杨春浩,刘瑞林,张众杰,焦宇飞

  进行二级可调增压柴油机热平衡性能研究,有助于解决高海拔发动机开锅问题,提高热效率。利用自主设计的柴油机高海拔热平衡试验系统,进行不同模拟海拔(0m、3500m、5500m)基于可变截面涡轮增压器(VGT)控制参数的二级可调增压柴油机低速全负荷热平衡试验,全面分析了变海拔条件下VGT控制参数对整机低速热平衡性能影响的机理与规律,优化标定了不同海拔下柴油机低速最佳VGT叶片开度。结果表明：随VGT叶片开度增大,发动机低速工况下热负荷升高,表现形式为涡前排温升高、缸内最高燃烧温度上升,但缸内最大燃烧压力呈下降趋势,0m、VGT开度小于50%时,缸内最高燃烧压力明显大于17MPa,在0、3500、5500m海拔,VGT开度分别大于70%、50%、30%时,缸内最高燃烧温度超过2200℃。随VGT叶片开度增大,柴油机有效功率、排气带走热量及其占比升高,冷却液带走热量、余项损失及其占比呈下降趋势,5500m 海拔下,VGT 叶片开度每增大10%,柴油机热效率降低3.1%。综合考虑VGT控制参数对缸内最高燃烧温度、缸内最大燃烧压力及热效率的影响,0m、3500m、5500m柴油机低速工况最佳VGT叶片开度应分别为50%、20%、20%。

• 复合式低焦油固定床生物质气化装置研究

  姜建国,孙荣峰,许敏,张卫杰,关海滨

  综合分析上吸式固定床及下吸式固定床生物质气化装置各自特点,提出复合式低焦油固定床生物质气化装置,建立生物质原料处理量为600kg/h的中试规模试验装置并开展研究。研究结果表明：复合式低焦油固定床生物质气化装置具有结构简单、气化效率高、热效率高、碳转化率高、原料适用性广等优点,极大程度提高了燃气清洁程度,对于生物质气化、发电、供热、化石燃料替代等领域的工业化应用起到了极大的推动作用。

• 氮气稀释气对天然气燃烧特性的影响

  曾文,刘靖,马洪安,刘爱虢,刘凯

  为获得氮气稀释气对天然气燃烧特性的影响规律,在定容燃烧弹中对不同当量比与初始压力下天然气的火焰传播特性、燃烧稳定性及燃烧特性进行了试验测试,并分析了氮气稀释度对天然气火焰传播特性、燃烧稳定性及燃烧特性的影响规律。研究结果表明,随着初始压力与氮气稀释度的升高,火焰前锋面将出现细小裂纹,火核逐渐向定容弹上部漂移,火焰稳定性变差；随着初始压力的提高,马克斯坦长度明显变短,火焰稳定性变差,无拉伸火焰传播速度与层流燃烧速度明显降低,但最大燃烧压力显著升高。随着当量比的提高,层流燃烧速度与最大燃烧压力出现先增加后降低的趋势,两者的最大值出现在当量比为1.0时。马克斯坦长度随氮气稀释度的增加逐渐变短,表明火焰逐渐趋于不稳定；同时,无拉伸火焰传播速度、层流燃烧速度与最大燃烧压力随氮气稀释度的增加显著降低。

• 泡沫铜对相变蓄热系统蓄热性能影响的实验研究

  陈华,柳秀丽,杨亚星

  石蜡作为一种有机固液相变材料,因其具有高潜热值、无毒、无腐蚀、性能稳定等优点被广泛应用于热蓄存、电子冷却及建筑温控等领域。但在蓄热过程中,因石蜡导热系数过低,导致了蓄热时间过长、温差过大。本实验按照1：3的比例将泡沫金属铜均匀分布在石蜡箱体中,探究泡沫铜对石蜡相变速率的影响。结果显示：加入泡沫铜后,有效地提升了石蜡的相变速率,缩短了石蜡相变的时间；同时加入泡沫铜后,石蜡内部温差明显减小,温度分布更加均匀,并且有效缓解了自然对流造成的顶部过热和底部不熔化现象。

• 地下高大空间火灾烟气自由填充试验研究

  铁勇

  利用费诺德(Froude-number)相似模型理论,建立1:12的某地下高大空间（高大空间为高度大于10m,体力大于10000m3)比例模型,研究了地下高大空间火灾烟气自由填充过程及温度及浓度变化特性。1:12模型试验结果和火灾动力学模拟（Fire Dynamics Simulator，FDS)模拟值与McCaffrey预测值吻合度较高。1:12火灾模型试验能较好的预测地下大空间烟气流动特点,且是验证数值结果正确性的重要手段。试验表明,高大空间“蓄烟效应”显著,火灾发生时高大空间竖向温度呈线性分布,且温升较小,温度不是影响人员逃生和排烟效果的主要因素；火源位置处于模型的端部的烟气层下降速度慢于中心位置。该研究为制订火灾排烟和疏散方案及高大空间防排烟规范提供了初步理论依据和第一手的试验资料。

• 天然气锅炉分级柔和燃烧模拟研究

  陈卫杰,熊燕,徐瑞,路源,王波,肖云汉

  燃气锅炉在我国应用广泛随着煤改气的进行，应用越来越多，NOx的排放标准也越来越严格。降低NOx的排放有利于减少空气污染。以小型天然气柔和燃烧炉膛为研究对象，通过数值模拟的方法研究燃料分级下的柔和燃烧特性，分析在不同热强度条件下轴向分级对炉膛烟气中NOx生成的影响。结果表明,给定条件下柔和燃烧分级带来的NOx减排收益随着二级燃料量的增加而减少，当二级燃料量在15%左右的时候可以最大程度地优化温度场分布，减低燃烧峰值温度，获得比较好的NOx控制效果。随着当量比和热强度的提高，燃料分机带来的收益也会变大。

• 油田制氮注氮系统能耗测试分析与提效

  冯一波,马强,王雷,王建海,李端,林日亿

  注气三采中制氮注氮系统是一个复杂的系统工程，影响注气系统高效运行的因素较多，如注气压力、单位注气量、环境温度、湿度等，且当前尚缺乏制氮注氮系统能耗分析与评价手段。结合塔河油田的现状和工艺流程，利用能量分析和㶲分析方法，对注氮系统各设备和系统进行能耗分析，结果表明TK680能源有效利用率和㶲效率分别为14.04%和18.07%，找出用能薄弱环节为PSA和空压机。同时针对用能的薄弱环节提出改进措施：加装余气回收及热能回收装置、空压机采用变频调节或集中控制技术。