化工新视野下中国生物甲烷跨越式发展策略

生物甲烷作为战略资源和可再生能源已在德国和瑞典等发达国家得到快速发展,我国尚处于起步阶段。目前,对生物甲烷物质高效转化和能量有效利用机制缺乏深入了解仍然是制约其大规模应用的瓶颈。本文从化学工程前沿理论出发,分析生物甲烷高效转化存在的关键科学问题,认为基于中国国情的生物甲烷工业,可以在化工界面传递新理论、纳微尺度新材料和系统优化方法介入下,获得物质转化和能量利用方面的突破,实现生物甲烷产业的跨越式发展。     

工艺因子对于MFC中能量分配的协同效应分析

微生物燃料电池（MFC）以产电和代谢的方式利用系统能量实现有机物降解。针对运行过程中能量的不同分配需求,以pH、有机负荷、溶解氧、电导率和外电阻为工艺因子,采用正交实验方法优选最佳工艺条件,从而实现MFC能量流调控的目的。研究表明：在实验工况下,最高产电能量转化效率和生物代谢能量利用效率分别为8.74%和66.03%,负荷和外电阻对产电能量转化效率有显著影响,负荷和pH对能量利用效率有显著影响,系统能量主要以生物代谢方式被利用。由此可见,在同等负荷条件下,若将MFC作为电转化单元时应主要控制其外电阻,若需提高MFC的有机物降解能力时pH则是首要控制因素。     

甲烷辅助高温电解制氢气和合成气

基于固体氧化物电解池(SOEC)的高温电解技术具有能量转换效率高、模块化易组装、应用灵活等优点,是一种极具应用前景的能量转化和存储技术。新型甲烷辅助高温电解模式将SOEC系统与甲烷部分氧化(POM)反应耦合,在有效降低电解能耗的同时制备高品位合成气。这种新型SOEC模式打通了电、热、气等不同能源网络,能够高效、灵活地实现不同能量之间的转化,实现能量和资源的最优利用。本文简述了甲烷辅助SOEC模式的研究进展,详细分析和阐述了该种新型SOEC模式下电解池的热力学参数、Nernst电势、电化学性能、产物组成和能量结构及效率,同时,总结了适用于甲烷辅助SOEC模式的电极体系的研究现状,最后对甲烷辅助SOEC模式的应用前景进行了展望。     

工艺因子对于MFC中能量分配的协同效应分析

微生物燃料电池(MFC)以产电和代谢的方式利用系统能量实现有机物降解。针对运行过程中能量的不同分配需求,以p H、有机负荷、溶解氧、电导率和外电阻为工艺因子,采用正交实验方法优选最佳工艺条件,从而实现MFC能量流调控的目的。研究表明:在实验工况下,最高产电能量转化效率和生物代谢能量利用效率分别为8.74%和66.03%,负荷和外电阻对产电能量转化效率有显著影响,负荷和p H对能量利用效率有显著影响,系统能量主要以生物代谢方式被利用。由此可见,在同等负荷条件下,若将MFC作为电转化单元时应主要控制其外电阻,若需提高MFC的有机物降解能力时p H则是首要控制因素。     

煤气站能量利用效率评价

采用冷煤气效率、热煤气效率和能量转化效率等技术特性指标,对煤气站能量利用情况的不完整性进行了系统分析,提出了评价煤气站能量利用情况：首先需要确定考核系统、有效产出能量和系统消耗能量,最后计算出煤气站能量利用效率的评价步骤和方法。     

微生物电解池产甲烷技术研究进展

微生物电解池（microbial electrolysis cell,MEC）产甲烷技术是以微生物为催化剂,利用外界输入的电能将CO₂或有机污染物转化为甲烷的新技术。MEC在实现CO₂处置与能量转化的同时,能够处理污水、污泥、沼渣等多种污染物并生产甲烷,具有能量转化率高、生产成本低、环境友好等特点,可望成为解决能源紧缺和环境破坏问题的重要途径之一。近年来,MEC在产甲烷生物阴极结构及电子传递途径、产甲烷微生物群落等方面得到了广泛关注,同时,MEC耦合厌氧消化或其他废水处理系统形成的产甲烷新技术也逐渐研发并成为研究热点。本文综述了产甲烷生物阴极、产甲烷微生物群落等方面的研究现状,介绍了MEC耦合厌氧消化或其他系统产甲烷新技术,总结并分析了MEC产甲烷技术的研究方向和实用化过程仍需解决的技术难题。     

炼化企业节能节水及装置扩能改造瓶颈辨识探讨

炼化企业是耗能用水大户,随着国家对节能减排要求的逐渐严格,炼化企业节能节水工作面临较大的压力.过程系统集成优化技术把炼化生产过程作为统一整体考虑,可最大化实现节能节水效果.过程系统作为一个有机的整体,系统中必然有一些单元过程构成系统节能节水的瓶颈,辨识这样的系统瓶颈,并研究相应的解瓶颈策略,可使节能节水取得事半功倍的效果.本文在对炼化企业能量系统和用水网络常用的优化技术和方法进行介绍的基础上,重点分析了炼化企业节能节水瓶颈辨识的研究进展,主要涉及节能瓶颈、节水瓶颈以及装置扩能改造瓶颈的辨识等方面的研究进展.当前的研究主要集中在单一网络的瓶颈辨识,下一步的研究方向应从单功能网络逐步推进到耦合网络.     

微生物电解池产甲烷技术研究进展

微生物电解池(microbial electrolysis cell,MEC)产甲烷技术是以微生物为催化剂,利用外界输入的电能将CO_2或有机污染物转化为甲烷的新技术。MEC在实现CO_2处置与能量转化的同时,能够处理污水、污泥、沼渣等多种污染物并生产甲烷,具有能量转化率高、生产成本低、环境友好等特点,可望成为解决能源紧缺和环境破坏问题的重要途径之一。近年来,MEC在产甲烷生物阴极结构及电子传递途径、产甲烷微生物群落等方面得到了广泛关注,同时,MEC耦合厌氧消化或其他废水处理系统形成的产甲烷新技术也逐渐研发并成为研究热点。本文综述了产甲烷生物阴极、产甲烷微生物群落等方面的研究现状,介绍了MEC耦合厌氧消化或其他系统产甲烷新技术,总结并分析了MEC产甲烷技术的研究方向和实用化过程仍需解决的技术难题。     

直流电弧等离子体甲烷二氧化碳重整反应

采用一种简单结构的直流电弧反应器,在无催化剂存在的条件下,高效率地实现了毫秒级甲烷二氧化碳的重整反应,产物选择性好,并且在反应过程中几乎没有积炭生成。在恒定输入功率(170W)的条件下考察了气体总流量和二氧化碳/甲烷摩尔比对反应结果的影响。提高反应气体的输入能量密度可以提高甲烷和二氧化碳的转化率,并且能够有效地抑制副产物的生成。当二氧化碳/甲烷摩尔比为1时,二氧化碳转化率为89.8%,甲烷转化率为96.3%,氢气和一氧化碳的选择性分别为99.6%和99.3%。二氧化碳过量可显著促进甲烷的转化以及同时获得合成气的高选择性。采用比能耗对该过程的能量利用效率进行了分析,以期指导反应条件优化以提高过程的能量利用效率。     

生物燃气生产技术研究进展

阐述了近年来以生物质为原料厌氧转化生物燃气(氢气和甲烷的统称)技术的研究进展.有效的生物质预处理是生物燃气生产的基础,包括物理、化学及生物等各种有效的预处理手段.影响高效生物燃气生产的因素包括环境、发酵底物、菌种、反应器设计等.细胞表面工程、微生物混合群落分析、细胞荧光定量分析等技术的发展会进一步促进生物燃气的高效生物转化技术的发展.从经济学角度考虑.氢气和甲烷发酵联产将最大程度提高生物质原料的利用率.在生物燃气发酵生产过程中.必须考虑整个过程从原料开始到最终的生物燃气和废渣的利用,从系统工程考虑生产和产物综合利用问题.     

大型轻烃回收工艺的应用与优化

采用先进的膨胀机制冷加丙烷辅助制冷的混和制冷工艺,乙烷收率在85%以上,丙烷、丁烷收率均在95%以上,其工艺技术和轻烃收率在国内同行业中处于领先水平。介绍了中原油田天然气处理厂3气改扩建工程工艺流程,产品规格及组成,总结了工艺特点及先进性,介绍了工艺设计中的合理优化选择,并对整套装置的经济效益进行了分析。合理应用先进的NGL工艺技术,可降低能耗,减少投资,提高产品收率。     

能源和化工系统的全生命周期评价和可持续性研究

在资源和能源日趋紧缺的背景下,开拓替代能源和新的化工产品技术路线势在必行。然而,目前对各种新技术方案的基础数据和系统分析比较薄弱,对产业布局和生态环境的长期影响有待深入研究。对近年来研究资源/能源化工复杂系统的建模、模拟、结构优化和系统集成问题的进展进行综述,运用过程系统投入产出分析的理论和方法,建立化工产品技术路线的全生命周期分析模型与集成的框架平台,研究资源、能源、技术、经济、环境等多因素综合优化评价问题。以煤气化合成气衍生的煤化工系统为基础案例,专门论述了在产品路线规划和过程合成中,集成优化、全生命周期评价和可持续性的研究进展。目标在于推进"技术-经济-环境-产业发展"多属性、多目标、多尺度系统集成的基础理论研究和技术创新。     

A hybrid deep learning framework driven by data and reaction mechanism for predicting sustainable glycolic acid production performance

Selective oxidation at low temperatures without alkali of biomass is a promising and sustainable avenue to manufacture glycolic acid (GA), a biodegradable functional material to protect the environment. However, producing glycolic acid with high selectivity and yield using the traditional research and development approach is time-consuming and labor-intensive. To this context, a hybrid deep learning framework driven by data and reaction mechanisms for predicting GA production was proposed, considering the lack of related reaction mechanisms in the machine learning algorithms. The proposed hybrid deep learning framework involves the kinetic reaction mechanism, catalyst properties, and reaction conditions. Results showed that the fully connected residual network exhibited superior performance (average R² = 0.98) for the prediction of conversion rate and product yields. Then, the multi-objective optimization and experimental verification guided the research are carried out. The experimental verification is comparable to the modeling results, with errors of less than 4% for conversion rate and GA yields. The life cycle assessment further identifies that using the optimized operating parameters, the fossil energy demand and greenhouse emissions have decreased by 2.96% and 3.00%, respectively. This work provides new insight and strategy to accelerate the engineered selective oxidation for desired GA production.     

炼化企业全厂能量系统优化节能技术研究与应用实践

简要介绍了炼化企业开展全厂能量系统优化工作的方法思路和实施策略,针对炼化企业物流、能流转化及利用特点,阐述了综合考虑单元过程与设备、工艺装置、公用工程系统、罐区储运、低温热利用、蒸汽动力系统等全厂能量系统的集成优化方法及其实际应用过程。以某公司炼油全厂用能优化为案例,通过综合应用流程模拟、夹点分析、过程能量集成等手段对...     

综合考虑经济性与效率的换热网络多目标约束优化方法

换热网络优化中不仅要考虑能量回收的“量”,还要考虑能量回收过程中“质”的耗散问题。在换热网络最大能量回收的前提下,基于不可逆传热过程中的耗散理论,以代表能量回收品质的效率最高为目标,建立综合能量回收数量、品质并同时考虑换热网络经济性的多目标混合整数非线性规划（MOMINLP）模型。根据模型目标有主次之分的特点,基于ε约束法对模型进行分步优化并结合BARON软件进行精确求解,依次求解换热网络的最大能量回收量(MER)与最低年均总成本(TAC),再将所得结果乘以松弛系数ε_i作为缩小搜索区域的约束条件,获得能量与成本约束下效率的Pareto前沿。通过对经典10SP1案例进行计算求解,最终得到最大能量回收量下,费用松弛系数为1.05时费效比最小的优化方案,而且本文的多目标约束优化方法能够更快求得综合的最优解。最后通过T-Q图中的换热网络组合曲线对比不同优化方案的效率,将换热网络划分为内部换热部分与剩余流股部分,多目标约束优化方法能够降低内部换热不可逆损失,提高剩余流股的温度。     

油区地热资源的开发和利用研究

目前油田油气集输系统和处理工艺主要是通过燃用石油或天然气,而采用各种类型、容量不一的加热炉对工艺进行加热,具有热效率低下,环境污染比较严重的现象。因此依据现在油田企业中集输系统中所存在的高能耗现状,对集输系统能耗状况进行详细分析。有效开发利用油区所具有的储量丰富的地热资源。根据油田集输流程的结构及工艺特点,对设计方案进行了优化分析,尽可能的提高地热水的利用效率,增大换热量,对原油外输管线进行伴热。     

基于多目标优化精馏系统综述

综述了精馏系统中多目标的优化问题,分析列举了人工神经网络、正交设计、响应面、遗传算法和粒子群算法在精馏系统多目标优化中的应用,旨在总结精馏系统中的优化算法,寻求最优操作条件的解法,为精馏塔的多目标优化提供参考。结果表明,针对于目前精馏系统的复杂多变性及混合规划问题,这些算法可以很好地对精馏系统进行建模,预测精馏模型,预测值与模拟值拟合较好,有较高的精度。且可用于求解精馏过程中的最优操作条件,降低系统的不可逆性,实现了精馏系统的节能优化,提高了产品质量,降低了能耗。最后指出了多目标优化精馏系统方法的可行性,也表明在实际生产中将多种优化算法相结合进行多步优化的可行性。     

多原料生物质燃料乙醇生产系统优化

以利用小麦、玉米、木薯等多种原料生产燃料乙醇的系统为研究对象,针对存在的原料成本、产品价格、补贴政策、化石能源市场等诸多因素不断变化影响效益的问题,从原料结构优化、工艺参数优化、生产方案选择等关键角度,建立了燃料乙醇生产的全流程优化非线性规划模型,提出了影响系统效益的三个主要问题. 原料结构优化结果表明,经模型优化后系统单月利润平均可增加5%~8%;在某一原料如小麦价格不断上涨时,可在满足生产工艺和产品品质要求的前提下用其他低价原料如木薯代替. 产品路线优化结果表明,沼气价格从0.6 ￥/m3逐步增加时,企业应根据价格变化逐步调整各产品产量,以保证整体效益最大化,超过1.3 ￥/m3时,则没有必要再利用沼气发电,可直接销售. 该模型有助于解决实际生产中的决策问题及多原料多产品的生物质能源企业提高整体效益、合理安排生产.     

A systematic methodology for the environomic design and synthesis of energy systems combining process integration,Life Cycle Assessment and industrial ecology

This paper presents a systematic methodology for sustainable process systems design, combining the principles of industrial ecology, process design and process integration, Life Cycle Assessment (LCA) and multi-objective optimization (MOO). The superstructure considers an extended decision perimeter and embeds models based either on flowsheeting software or average market technologies, for which energy and material flows are extracted from the Life Cycle Inventory (LCI) database. Therefore, the overall supply chain can be synthesized within a given action system and the systematic recyclings identified. The methodology can be used to design eco-industrial parks or urban systems, to identify the best conversion pathways of resources or waste, or to fix the optimal value of environmental taxes. It is illustrated by an application to the environomic design of an urban energy system. This case study considers multiple energy services to be supplied and waste to be treated, with their seasonal variations, indigenous and imported resources, as well as different candidate conversion technologies. Results demonstrate that integrating an environmental objective in the design procedure leads to consider different system configurations than if only economic aspects are considered. The problematic of the optimal value of a CO₂ tax is as well addressed.