Spatial heterodyne spectroscopy for space-based measurements of atmospheric CO2

To reduce the error from measurement and retrieval process,a new technology of spatial heterodyne spectroscopy is proposed.The principle of this technology and the instrument spatial heterodyne spectrometer(SHS)are introduced.The first application of this technology will be for CO_2 measurements from space on a high spectral observation satellite.The outstanding measurement principle and the priority of combination of retrieval algorithm and three channels(O_2 A-band,CO_2 1.58μm and 2.06μm bands)are theoretically analyzed and numerically simulated.Experiments using SHS prototype with low spectral resolution of 0.4 cm~(-1) are carried out for preliminary validation.The measurements show clear CO_2 absorption lines and follow the expected signature with theory spectrum,and the retrievals agreed well with GOSAT CO_2 products,except a small bias of about 4×10~(-6).The results show that the ability of spatial heterodyne spectroscopy for CO_2 detecting is obvious,and SHS is a competent sensor.     

不同CO2浓度和施氮水平对麦田CO2净通量的影响

为研究不同CO₂浓度和施氮量对麦田CO₂净通量的影响,利用开顶式气室(OTC)组成的CO₂浓度自动调控平台模拟CO₂浓度升高环境.以冬小麦为试验材料,设置CK (对照,环境大气CO₂浓度)、C₁(CO₂浓度比CK增加120 μmol·mol^-1)和C₂(CO₂浓度比CK增加200 μmol·mol^-1)3个CO₂浓度水平;施氮量设置常规施氮量(N₁,25 g·m^-2)和低氮(N₂,15 g·m^-2)2个水平.采用静态箱-高精度气体分析仪观测麦田CO₂净通量.结果表明:各处理的麦田CO₂净通量变化特征一致,均呈先增大后减小的趋势,在拔节期和抽穗期达到峰值.N₁处理下,在整个生育期,CK、C₁和C₂处理的CO₂累积量分别为-105.8±12.6、-123.1±11.5和-120.2±4.1 kg·hm^-2.N₂处理下,在整个生育期,CK、C₁和C₂处理的CO₂累积量分别为-82.3±9.2、-95.4±7.6和-96.7±2.8 kg·hm^-2;拔节期C₂处理的CO₂累积量比CK显著增加了31.8%(P=0.024).C₁处理下,拔节期N₁处理的CO₂累积量显著高于N₂处理55.0%(P=0.009);C₂处理下,N₁处理的整个生育期CO₂累积量显著高于N₂处理23.6%(P=0.010).各处理CO₂净通量跟土壤湿度的相关关系均达到显著;N₁处理下,C₁和C₂处理的CO₂净通量跟光合有效辐射的相关关系达到显著,N₂处理下,CK和C₁处理的CO₂净通量跟光合有效辐射的相关关系达到显著;N₁处理下,C₁处理的CO₂净通量跟空气温度的相关关系达到显著,其余处理未达到显著.本研究表明:在小麦的拔节期和抽穗期,相比于CO₂浓度升高,施氮量对麦田CO₂净通量的影响更为显著;CO₂浓度升高与施氮量对麦田CO₂净通量的影响没有显著的交互作用.     

介质填充材料对低温等离子体分解CO2的研究

低温等离子体内部存在很多高活性粒子可以促进CO₂气体在常温下分解。为了提高CO₂的分解效率,探索CO₂减排的新途径。研究了介质材料（γ-Al₂O₃、石英棉、CaO）加入时,等离子体与CO₂的反应情况及不同填充材料对该反应的影响。研究表明,加入介质填充材料会显著提高CO₂的分解效率,且加入石英棉时对CO₂的分解效率最高;填充材料粒径在250 μm时,CO₂转化率最高。     

基于数值模拟的CO2地质封存项目井筒泄漏风险定量化评价方法

为评估CO₂地质封存场地的CO₂沿井筒泄漏风险，介绍了自主研发的可对CO₂井筒泄漏风险进行定量化评价的数值模拟WellRisk软件，将软件应用于实际CO₂地质封存场地--神华鄂尔多斯CO₂咸水层封存示范工程，定量评估该场地CO₂沿注入井和监测井的泄漏量，并将软件模拟结果与美国能源部开发的NRAP–IAM–CS（The national risk assessment partnership–integrated assessment model–carbon storage）软件模拟结果进行对比，实现了CO₂沿井筒泄漏风险的定量化评价。定义了井筒泄漏系数，即井筒发生泄漏的有效截面积和井筒总截面积的比值，并将井筒泄漏系数作为量化表征井筒固井质量的重要参数。当泄漏系数取值为10^–6时，神华CO₂地质封存场地在1 000 a内的总泄漏量为720 tCO₂，占总注入量的0.24%，小于IPCC的风险阈值1%。因此，泄漏系数为10^–6或更低的井筒是低风险泄漏井，具有良好的固井质量，对应于NRAP–IAM–CS软件中井筒渗透率低于10^–12 m²的情况。泄漏系数为10^–5或更高的井筒是高风险泄漏井，具有较差的固井质量。WellRisk和NRAP–IAM–CS的计算结果均表明，当注入井和监测井的固井质量良好时，神华CO₂地质封存场地基本不存在CO₂泄漏风险。     

钢铁工业CO2的排放现状及主要的捕集方法

简要讨论了目前CO2等温室气体的危害、钢铁工业CO2的排放现状及来源,并针对我国钢铁行业的发展状况,分析了温室气体CO2的捕集方法.     

CO2捕集技术的研究进展

化石燃料燃烧排放的CO_2是当今温室气体中CO_2污染的主要来源。介绍了CO_2捕集技术中吸附法、吸收法和膜分离法的研究进展,并分析了各种方法的特点,归纳总结了目前新型吸附/吸收剂中金属有机骨架、相变吸收剂、离子液体吸收剂和纳米流体吸收剂的研究成果。降低能耗和成本是今后研究工作的重点。开发新型吸附/吸收剂、优化反应过程和联合使用不同方法是未来CO_2捕集技术的发展方向。     

碳酸性侵蚀与AAR作用下纳米混凝土的耐久性

地铁混凝土处于地下空间,容易受到地下水的碳酸性侵蚀;碱集料反应 (AAR)是一种严重的混凝土耐久性问题,既难以发现又难以修补,由两者共同作用引起的混凝土耐久性降低严重影响地铁隧道的正常使用.为研究纳米材料对地铁混凝土在碳酸性侵蚀和AAR共同作用下耐久性的影响,在普通混凝土中掺入适量纳米SiO₂和纳米Fe₂O₃,利用自行研制的碳酸性侵蚀试验箱进行试验,采用碳酸性侵蚀深度、膨胀率和声速作为测试指标来评价纳米混凝土在碳酸性侵蚀和AAR共同作用下的耐久性.试验结果表明:掺入纳米颗粒后,混凝土的膨胀率和侵蚀深度有了明显降低,而声速有了明显提升,说明纳米混凝土的耐久性优于普通混凝土;在182 d龄期时,掺量为2%的纳米SiO₂混凝土耐久性改善最明显,侵蚀深度和膨胀率最小,声速最大且声速下降幅度最小;其次是掺量为1%的纳米Fe₂O₃混凝土.由于纳米颗粒特殊的物理化学性质,改善了混凝土内部的微观结构和孔溶液的化学组成,使碳酸性侵蚀和碱集料反应共同作用下混凝土的耐久性得到了提高.     

超临界CO2增透煤热流固耦合模型与数值模拟

针对中国绝大多数高瓦斯煤层渗透性低以及低渗透煤层强化抽采瓦斯效果不理想的现状,结合超临界CO₂强扩散和溶解增透孔隙介质等独特优点,依据超临界CO₂作用后煤微观孔裂隙的演化特征,得到煤微观孔隙率和渗透率演化方程,根据孔隙率的变化确定损伤变量,考虑体积应力、温度、孔隙压力及超临界CO₂溶解增透作用的影响,建立超临界CO₂作用后煤的热流固耦合力学模型,利用ABAQUS软件提供的场变量子程序,结合PYTHON脚本和子程序二次开发功能,实现低渗透煤层注超临界CO₂增透规律数值模拟。结果显示：超临界CO₂注入后,注气孔周围煤体内体积应力、温度及孔隙压力变化明显,随着距注气孔距离的增加,影响程度逐渐减弱,并趋于稳定;经超临界CO₂作用后,注气孔周围煤体内不断萌生新的孔裂隙,并与原有的孔裂隙相互贯通,随注气时间的延长各级孔裂隙不断向煤体纵深演化发展,煤微观孔隙率较注气前提高了2个数量级;超临界CO₂的致裂增透作用引起煤体不同程度的损伤,距注气孔越近,损伤程度越大,损伤增加越快,注气时间越长,损伤增加的幅度越大;煤微观孔裂隙的有效发育为煤层气的扩散渗流提供了更多的运移通道,使煤体渗透系数较注气前提高了3个数量级。     

煤电机组应对二氧化碳减排的策略

美国环保署要求,新建燃煤电厂的CO_2排放限值为年平均发电碳排放强度不大于635 kg/MWh。其建议的"减排最佳系统"(BSER)技术路线为:对部分烟气量进行碳捕捉、运输和储存(CCS)。由于CCS存在成本、安全性和地质储存条件苛刻等短板,可采用非CCS的煤电机组碳减排策略,即进一步提高超超临界机组的热效率、采用冷热电联供、燃煤耦合生物质发电等3种技术路线。对这些技术路线满足美国碳排放限值的技术现状、前景和条件进行分析后,得出了当前的技术水平下采用冷热电联供或燃煤耦合生物质发电是两个可行且经济的手段,而进一步提高超超临界机组的热效率也具有现实可行性的结论。     

水热法制备SrBi2Ta2O9陶瓷及其介电性能研究

采用水热法合成SrBi2Ta2O9(SBT)纳米粉体,成型后采用常规烧结法制备SBT陶瓷.利用XRD和SEM研究陶瓷的物相和微观形貌;利用介电温谱研究陶瓷的介电性能.结果表明:采用水热法能够制备出颗粒细小均匀、结构致密且物相纯净的SBT陶瓷;其居里温度为375℃,对应的介电常数为114.54.     

膜法脱除模拟烟气中CO_2的实验研究

以一乙醇胺(MEA)和三乙醇胺(TEA)为吸收液,主要考察了气体流量、吸收液流量、MEA/TEA混合比,以及吸收液浓度对膜吸收法脱除CO_2的脱除率的影响.实验结果表明,脱除率随模拟烟气流量的增加而减小,随吸收液流量的增加而增大;MEA的CO_2脱除率比TEA的CO_2脱除率高;两种溶液混合后,二者没有相互影响,混合吸收液的CO_2脱除率介于二者之间.     

Parameter Optimization on Experimental Study to Reduce Ammonia Escape in CO2 Absorption by Ammonia Scrubbing

In order to research ammonia escape in CO₂ absorption by ammonia scrubbing, ammonia escape was studied in CO₂ absorption process using the bubbling reactor in different conditions as gas flow rate, CO₂ ratio, absorbent temperature and ammonia concentration and quantity of escaped ammonia was measured by chemical titration. The results indicated that, the amount of ammonia escape can be around 20% of original amount in 90 min and the escaped amount will increase with the rise of gas flow rate, absorbent temperature, concentration of ammonia while decrease as CO₂ ratio goes up. Through the analysis of the law of ammonia escape, at the same time, combined with ammonia escape and the influence of the relationship between the CO₂ absorption efficiency, reducing ammonia escape working condition parameter optimization is given.     

Experimental Study on Enhancement of Bubble Absorption of Gaseous CO2 with Nanofluids in Ammonia

纳米颗粒强化氨水鼓泡吸收CO₂实验研究

方立军,刘洪锟,边岩,刘玉东,杨亚利

（华北电力大学（保定） 能源动力与机械工程学院）

研究目的：

探究纳米颗粒对鼓泡塔氨法吸收二氧化碳的强化作用

研究方法：

（1）试剂：氨水,质量分数为25%-28%,天津化工有限公司生产;二氧化碳气体,纯度为99.99%,氮气,99.99%,保定北方特种气体有限公司生产;纳米颗粒（SiO₂、TiO₂、CuO）,由南京埃普瑞纳米材料有限公司提供。

（2）本文纳米流体的制备方法采用的是“两步法”,首先用天平准确称取所需的纳米TiO₂、CuO、SiO₂,量取所需要的蒸馏水,然后通过机械分散20分钟,加入一定量的氨水,继续机械分散10分钟制备为不同质量分数的纳米流体,纳米流体的分散稳定性良好。

（3）实验系统：纳米颗粒强化氨水鼓泡吸收CO₂实验系统如图所示,主要包括鼓泡吸收塔、烟气配送系统、尾气测量处理系统。

实验步骤：

（1）实验前先计算出配制纳米流体所需的纳米颗粒、氨水、蒸馏水的量,用电子秤称出纳米颗粒的质量,将其加入到蒸馏水中,机械搅拌20min,加入一定量的氨水,继续机械分散10分钟制备为不同质量分数的纳米流体;

（2）打开分析仪预热30min,开通N2对整个系统进行吹扫,待CO2烟气分析仪示数降为0时。按照比例将氮气与二氧化碳充入混合瓶,混合均匀后通入分析仪,待示数达到预设值且稳定;

（3）将配制好的纳米流体加入到反应塔内,开始计数,每5s计数一次,待示数不再降低,停止计数。

为减少偶然误差带来的影响,每组实验均进行5次,然后取其平均值。为减少氨水浓度对本实验的影响,每次实验都要测量配制好的溶液的pH值,保证初始溶液具有相同pH值。

结果：

（1）纳米颗粒种类和固含量对增强因子的影响

对氨水质量分数为1%,CuO、TiO₂、SiO₂颗粒添加量分别为1g/L、2g/L、3g/L、4g/L、5g/L的纳米流体进行鼓泡吸收实验,增强因子如图所示：

增强因子与纳米颗粒种类的关系

从图中可以看到只有添加TiO₂这一种纳米颗粒时,其增强因子一直大于1;添加SiO₂ 纳米颗粒,只有在1g/L、2g/L时,增强因子略大于1,其他添加量则小于1;添加CuO 纳米颗粒,其增强因子始终在1左右徘徊,没有出现出明显的增强或抑制作用。

（2） 氨水浓度对增强因子的影响

从图中可以看出,不同氨水浓度下,增强因子的变化趋势随固含量的增加先升高后降低。但是,它们的最佳固含量不同,随着氨水浓度的升高,最佳固含量降低。

（3） 纳米颗粒种类对脱除率的影响

从图中可以看出,TiO2纳米流体的吸收率要大于空白溶液,CuO纳米流体的吸收率和空白溶液相同,而SiO2纳米流体的吸收率小于空白溶液。

（4）纳米颗粒添加量对脱除率的影响

从图中可以看出,脱除率随纳米颗粒添加量的增加先增高后降低,且脱除率一直大于空白溶液实验,在纳米颗粒添加量为3.0g/L时脱除率达到最大值。

结论：

（1）纳米颗粒的添加对于部分有化学反应气液传质过程具有强化作用,其强化作用与纳米颗粒和溶剂的性质有关;

（2）对气体溶质具有选择吸附性、增溶剂性的纳米颗粒可对有化学反应的气液传质过程有强化作用。其强化作用随着纳米颗粒添加量的增加先增大后减小,即纳米TiO2的含量对强化氨水捕集CO₂存在一个最佳固含量;

（3）对气体溶质没有吸附性但具有亲溶剂性的纳米颗粒可对有化学反应的气液传质过程有抑制作用。其抑制作用随着纳米颗粒添加量的增加而逐渐增强;

（4）纳米颗粒强化有化学反应的气液传质过程的机理可总结为,纳米颗粒在布朗运动的作用下会使吸收工质内部形成微对流,从而使分子扩散系数增大。纳米颗粒对气体溶质的吸附性,使传质边界层内气相溶质浓度降低,传质边界层内的浓度梯度增大,传质推动力增加,气体吸收得到强化。

关键词：纳米颗粒;鼓泡塔吸收;氨水;CO₂捕集;强化吸收

     

CO2强化再生骨料的特性及其对再生混凝土性能的影响

CO₂强化不同品质和粒径再生骨料的特性研究尚不系统和完善。在约20% CO₂浓度和自然环境压力条件下,考虑再生粗骨料（RCA）品质和粒径的影响,试验测试了CO₂强化再生骨料（CRCA）的碳化率、CO₂吸收率、碱度、残留CO₂气体含量、吸水率及CO₂强化再生骨料混凝土（CRAC）的抗压强度和抗氯离子渗透性能。结果表明：CO₂强化再生骨料的碳化率和CO₂吸收率随再生骨料水灰比的增加而增加;CO₂强化显著降低了再生骨料的碱度,且CO₂强化再生骨料粒径越小、水灰比越低,其残留CO₂气体含量越高;CO₂强化显著降低了再生骨料的吸水率,明显提升CO₂强化再生骨料混凝土的抗压强度和抗氯离子渗透性能。     

建筑物化阶段CO2排放及其不确定性分析

CO₂是导致气候变暖的主要物质之一,而建筑行业的碳排放量占世界碳排放总量的25%左右。在建筑生命周期内,年均CO₂排放最多的阶段为物化阶段,对建筑物化阶段的碳排放进行量化具有重要的研究意义。考虑排放清单等数据受人为因素及技术水平的限制,会出现一定的变异性,研究采用不确定性分析方法。将建筑按分部分项工程进行分解,结合具体的单元工序对物化阶段的CO₂排放进行量化建模,进而给出减排中最需关注的单元工序。通过案例分析发现,建筑物化阶段的碳减排重点是材料生产,其CO₂排放量占比达到93%;其次,在不同工序中,减排重点为土建工程,其碳排放占总体的85%;在碳排放量化过程中,对数据和情景两类不确定度进行计算。根据数据不确定度的结果可知,物化阶段CO₂排放总量的变异系数为0.3%,结果数据可信度较高。根据情景不确定度的结果可知,运输阶段改变运距及柴油类型可减排39%,施工阶段改变用电类型可减排27%。     

Characteristics of LiCoO2, LiMn2O4 and LiNi0.45Co0.1Mn0.45O2 as cathodes of lithium ion batteries

LiNi_0.45Co_0.10Mn_0.45O₂ was synthesized from Li₂CO₃ and a triple oxide of nickel, cobalt and manganese at 950 °C in air. The structures and characteristics of LiNi_0.45Co_0.10Mn_0.45O₂, LiCoO₂ and LiMn₂O₄ were investigated by XRD, SEM and electrochemical measurements. The results show that LiNi_0.45Co_0.10Mn_0.45O₂ has a layered structure with hexagonal lattice. The commercial LiCoO₂ has sphere-like appearance and smooth surfaces, while the LiMn₂O₄ and LiNi_0.45Co_0.10Mn_0.45O₂ consist of cornered and uneven particles. LiNi_0.45Co_0.10Mn_0.45O₂ has a large discharge capacity of 140.9 mA · h/g in practical lithium ion battery, which is 33.4% and 2.8% above that of LiMn₂O₄ and LiCoO₂, respectively. LiCoO₂ and LiMn₂O₄ have higher discharge voltage and better rate-capability than LiNi_0.45Co_0.10Mn_0.45O₂. All the three cathodes have excellent cycling performance with capacity retention of above 89.3% at the 250th cycle. Batteries with LiMn₂O₄ or LiNi_0.45Co_0.10Mn_0.45O₂ cathodes show better safety performance under abusive conditions than those with LiCoO₂ cathodes. Foundation item: Project(50302016) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2005037698) supported by the Postdoctoral Science Foundation of China     

中国聚变工程实验堆超临界CO2锂铅包层初步分析

对中国聚变工程实验堆（CFETR）超临界CO₂锂铅包层研究进行了初步分析。根据包层设计准则和目标,介绍了以液态锂铅作为冷却剂的超临界CO₂包层的设计方案,给出了包层核性能及产氚性能分析结果。结果表明,该设计在不考虑窗口损失的情况下可以满足氚增殖率（TBR）大于1的要求。最后,指出了该包层研发的难点和未来方向。     

Corrosion resistance of plasma sprayed NiCrAl+(ZrO2+Y2O3) thermal barrier coating on 18-8 steel surface

The corrosion resistance of NiCrAl+(ZrO₂+Y₂O₃) thermal barrier coating, formed with the plasma spraying technique, on the 18 - 8 steel surface was investigated. The phase structure and morphology of the coating were analyzed by means of X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The electrochemical corrosion behavior of the coating in 1.0 mol/L H₂SO₄ solution was studied by using electrochemical measurement methods. The results show that the gradient plasma spraying coating is composed of the NiCrAlY coating and the (ZrO₂+Y₂O₃) top coating, and the coating thickness is 360 μm. The microhardness of coating reaches 1 100 HV. The corrosion resistance of the plasma sprayed coating of the 18 - 8 steel surface is about 5 times as great as that of the original pattern. The corrosion resistance of the coating is enhanced notably. Foundation item: Project (5040202140) supported by Scientific Research Common Program of Beijing Municipal Commission of Education     

基于Aspen Plus的燃煤电厂CO_2捕集系统模拟分析

针对乙醇胺溶液(MEA)化学吸收法在实际应用中能耗高的问题,在分析传统MEA法CO_2捕集工艺基础上,提出由菲涅尔式太阳能热泵和燃煤机组烟气余热共同提供再生热量的CO_2捕集技术。利用Aspen Plus软件对新型MEA法CO_2捕集技术模拟分析,获得具有代表性的预测结果。结果表明新型MEA法CO_2捕集工艺可节约63.80%的热能,新型CO_2捕集系统再生塔内的温度分布曲线更为平滑,更有利于CO_2快速分离。     

基于Dymola仿真平台的CO2热泵热电池储能水箱尺寸优化研究

基于Dymola仿真平台,建立了跨临界CO_2热泵储能系统动态模型,模拟研究了系统中储能水箱几何尺寸对其性能的影响,并与试验结果比对以保证模型的准确性。借助MATLAB优化工具箱,优化储能水箱的内部结构,优化后热分层系数提高了2.95%。在Dymola中建立优化后的热分层水箱模型,然后通过Dymola建立的热泵储能动态模型对储能水箱尺寸进行了优化,结果表明,优化后系统总性能系数提高了3.71%。