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Volume 4 • Issue 3 • • Pages 299 -430
封面介绍
全选: 全部摘要 缩略图
猎鹰重型运载火箭
Lance A. Davis
Engineering . 2018, 4 (3): 300 .   https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.001
摘要   PDF (418KB)
 
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绿色过程——变废为宝
Veena Sahajwalla
Engineering . 2018, 4 (3): 309 -310 .   https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.011
摘要   PDF (335KB)
 
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表面驱动高压工艺
Keith E. Gubbins, Kai Gu, Liangliang Huang, Yun Long, J. Matthew Mansell, Erik E. Santiso, Kaihang Shi, Małgorzata Ś liwińska-Bartkowiak, Deepti Srivastava
Engineering . 2018, 4 (3): 311 -320 .   https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.004
摘要   PDF (1484KB)
许多化学过程都要在高压下进行,因为高压状态能提高产率,加快化学反应的速率,分离过程中提高溶剂功率,并通过增加分子能量和分子碰撞率来克服活化作用的障碍。通过金刚石砧室压力能高达数百万巴,实验室就能达到这种效果,因此为利用热力学、输运和电子性质来进行化学合成以及合成新材料提供了新的途径。然而,在工业规模上,高压工艺目前正受到压缩成本和有限材料的约束,因此很少有工业过程能够在在压力超过25 MPa的情况下进行。本文提出了一种高压工艺的替代方法,即利用来自固体底物的表面驱动的相互作用产生非常高的局部压力。近期的实验和分子模拟表明,这种相互作用可以产生高达数万巴的局部压力,某些情况下甚至可以达到数百万巴。由于活跃的高压区域分布不均匀,压力在不同方向上存在差异。在许多情况下,增强最多的是平行于底物表面的压力(切向压力)。这种压力是施加在要加工的分子上的,而不是施加在固体底物或容器上。本文综述了现阶段对这种增压的认识,并讨论了一种基于表面驱动力的可行方法来达到高压处理的效果。这种表面驱动高压处理的优点在于,相比传统的整体相位处理,它能达到更高的压力,因为它不需要机械压缩。此外,过程中没有对容器施加更大的压力,因此不用担心材料受损。
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天然气水合物泥浆性质流变学研究进展
Ahmad A.A. Majid, David T. Wu, Carolyn A. Koh
Engineering . 2018, 4 (3): 321 -329 .   https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.017
摘要   PDF (1144KB)
天然气水合物是固体包裹化合物,由三维的氢键网络组成,可以用来捕获气体小分子,比如甲烷和二氧化碳。了解溶液中天然气水合物晶体的流变性能对于许多能源方面的应用至关重要,包括天然气在海底和陆地上的运输,以及气体分离、脱盐或封存等方面的技术应用。人们已经对水合物浆体流变学进行了多次实验和模型模拟;然而,理论与实验之间的联系并不明确。本文讲述了对高、低压流变仪的研究以及在高压流动环境下,一系列不同的过冷度(ΔTsub = Tequil – Texp)和流体条件的水合物浆体黏度测量技术的现状(包括水和油的连续系统)。本文介绍了天然气水合物泥浆相对黏度的理论模型,还讨论了实验和理论之间的联系。
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使用分布式富碳废料模块化生产附加值产品及燃料
Robert S. Weber, Johnathan E. Holladay
Engineering . 2018, 4 (3): 330 -335 .   https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.012
摘要   PDF (1275KB)
我们对电解反应堆进行了改造和表征,以完善区域和社区规模的废物向燃料或化学品的转换。整个过程必须能够适应各种原料以及具有内在的安全性,并且不应依赖外部设施获得共反应物或增加排热量和供热量。我们目前的方法是基于对含碳废料的水热液化(HTL)生产的生物油进行升级。水热液化可以将各种原料转化为生物油,与其他解构生物质的方式相比,其需要的升级要少得多。我们目前正在研究将电化学过程用于将生物油通过水热液化转化为燃料或更高价值化学品所需的进一步转化。我们和其他研究者已经证明,电化学还原可以提供足够的反应速率,以及在很小的程度上提供一些必要的通用性。此外,电化学反应器必须在反应器的一侧氧化(去除电子)并在另一侧还原(添加电子)。因此,原则上,这两种类型的反应可以结合以升级生物油,并同时改善在上游水热液化中用作反应物和载体的水。在这里,我们对假定流程、可能的转换化学和水热液化电化学过程的经济性进行了概述。
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通过二氧化碳泡沫提高石油采收率进行碳封存——绿色化学视角
Jennifer A. Clark, Erik E. Santiso
Engineering . 2018, 4 (3): 336 -342 .   https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.006
摘要   PDF (1170KB)
通过二氧化碳(CO2)驱油来提高石油采收率(EOR),这作为一种经济上可行的碳封存方法受到了相当大的关注,并且最近许多研究都集中在开发增强的CO2发泡添加剂上。然而,人们对这些添加剂在泄漏事件中潜在的长期环境影响知之甚少,并且考虑到在典型的CO2 EOR操作中注入添加剂的量,其对环境的影响可能是深远的。本文概述了表面活性剂和表面活性剂/基于纳米颗粒的二氧化碳发泡体系的最新发展情况,重点介绍了CO2泡沫泄漏可能对环境造成的影响。所研究的大多数表面活性剂在油藏条件下不可能降解,并且它们的释放可能对野生动物造成严重的负面影响。随着近来添加剂使用(如非离子表面活性剂、纳米颗粒和其他化学品)的进展,可能不再允许使用苛刻的阴离子表面活性剂。本文讨论了生产泡沫系统的最新进展,并着重介绍了开发环境友好型CO2 EOR方法的可能策略。
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 化学循环系统氧载体材料发展新探
Zhuo Cheng, Lang Qin, Jonathan A. Fan, Liang-Shih Fan
Engineering . 2018, 4 (3): 343 -351 .   https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.002
摘要   PDF (2604KB)
化学循环燃烧(CLC)和化学循环重整(CLR)是通过循环氧化还原反应将清洁和有效的碳氢化合物转化为动力、燃料和化学品的创新技术。金属氧化物材料在化学循环氧化还原过程中起着重要作用。在还原过程中,氧载体提供所需量的氧离子用于烃转化和产物合成。在氧化步骤中,耗尽的金属氧化物氧载体从空气中补充分子氧,同时释放热量。近年来,用于各种化学循环应用的氧载体材料已经取得了显着进步。在这些金属氧化物材料中,铁基氧载体由于其高载氧能力、成本效益和化学循环反应应用的多功能性而具有吸引力。它们的反应性也可以通过结构设计和改进来增强。本文讨论了氧载体材料开发的最新进展以及这些材料上烃转化的机制。这些进步将促进氧载体材料的开发,以实现更有效的化学循环技术应用。
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燃料电池商业化的技术经济挑战
Junye Wang, Hualin Wang, Yi Fan
Engineering . 2018, 4 (3): 352 -360 .   https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.007
摘要   PDF (1657KB)
随着资源稀缺、极端气候变化和污染水平的增加,经济增长必须依赖于更加环保和高效的生产过程。燃料电池因其高效率和环保操作而成为通向绿色工业的内燃(IC)发动机和锅炉的理想替代品。然而,作为一种新能源技术,燃料电池的重要市场渗透尚未实现。在本文中,我们使用生命周期和价值链活动对燃料电池系统进行技术经济和环境分析。首先,我们研究燃料电池开发的程序,并根据燃料电池生命周期活动、价值链活动和最终用户验收标准确定应开展哪些活动。接下来,我们将对燃料电池商业化的制度障碍进行统一学习。主要最终用户验收标准是功能、成本和可靠性;与竞争对手(如IC发动机和电池)相比,燃料电池应该优于这些标准,以获得竞争优势。燃料电池的维修和维护成本(由于可靠性低)可能导致成本大幅增加和可用性降低,这是最终用户接受的主要因素。燃料电池行业必须面对如何克服这种可靠性障碍的挑战。本文更深入地了解了我们多年来关于燃料电池商业化的主要障碍的工作,并讨论了燃料电池在未来低碳绿色经济中的潜在关键作用。本文还确定了需求,并指出了未来低碳经济的一些方向。供应燃料电池的绿色能源确实是未来的商业模式。通过采用绿色公共投资和实施政策举措,努力实现经济增长的可持续发展,鼓励对环境负责的工业投资。
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废锂离子电池中有价金属回收的研究进展
郑晓洪, 朱泽文, 林晓, 张懿, 何艺, 曹宏斌, 孙峙
Engineering . 2018, 4 (3): 361 -370 .   https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.018
摘要   PDF (504KB)
近年来,随着锂离子电池在消费电子产品和电动汽车领域应用的快速增长,导致了废旧锂离子电池的数量和重量呈现快速的增长。废旧锂离子电池中不仅含有有害的重金属,还含有有毒的化学物质,这些有害物质会对生态系统和人类健康构成严重的威胁。因此,从环境保护和经济方面考虑,高效地回收废旧锂离子电池受到了广泛的关注。本文综述了废锂离子电池中有价金属回收的工艺现状,介绍了锂离子电池的结构并总结了废锂离子电池回收技术。值得注意的是,预处理过程和金属提取过程在整个回收过程十分重要,其中金属提取过程主要采用的方法有火法冶金、湿法冶金、生物冶金及其他方法等。通过进一步比较不同回收方法,提出了目前废锂离子电池回收处理过程中主要存在的问题和未来的发展方向。
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工业食品废物资源最终利用潜力的比较
Raymond RedCorn, Samira Fatemi, Abigail S. Engelberth
Engineering . 2018, 4 (3): 371 -380 .   https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.010
摘要   PDF (719KB)
全球大约有四分之一的可食用的食品被浪费。粮食浪费的驱动因素可以发生在生产、收获、分销、加工和消费者之间的任何阶段。尽管全球各地的驱动因素不同,但在北美、欧洲和亚洲的工业化地区有着相类似的情况。在这些地区,食物浪费最严重的情况发生在消费者环节,他们产生了大约51%的食品废物。因此,处理垃圾的重点就落在了处理城市固体废物上。在美国,食物垃圾占固体废物流重量的15%,产生二氧化碳当量排放量多达3.4×107 t,其处置费用高达19亿美元。利用食物垃圾中含有的碳、营养物和水分含量使垃圾转化成为高附加值产品,这是一种吸引人的减少浪费的方法。提取食物垃圾中的营养物质和生物活性物质,或者把两者转化为各种挥发性酸碱——包括乳酸、乙酸和丙酸,便可以利用这些机会回收废物并将产品出售以获得利润。废物转化为挥发性酸的过程可以与生物能源(如氢气和沼气)生产相结合。本文将工业食品废物升级的潜能比作特殊产品或者甲烷。高价值利用食品垃圾可以减轻大约1.9×108 t二氧化碳当量排放。以马铃薯皮为例,通过发酵技术将其转化为乳酸可每年节省56亿美元,也可以通过厌氧消化转化为甲烷,每年曾收9亿美元。回收食品废物潜在价值巨大,而食品废物价值化将有助于在各种食品工业的循环中形成回路。
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基于无人装备的地下金属矿智能开采技术
李建国, 战凯
Engineering . 2018, 4 (3): 381 -391 .   https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.013
摘要   PDF (3525KB)
以矿产资源安全、高效和绿色开发为背景,介绍我国地下金属矿智能开采技术的现状及发展趋势。对地下金属矿智能开采技术的国内外研究现状进行了分析和总结,介绍了具有自主知识产权的地下无人采矿装备的最新技术进展,包括地下凿岩台车、地下潜孔钻机、地下铲运机、地下矿用汽车和地下装药车等五大装备的智能化及无人控制技术,对实现智能开采的三大基础平台,包括定位和导航平台、信息采集与通讯平台、生产过程调度与控制平台进行了分别介绍。最后利用上述无人装备和平台在凡口铅锌矿地下矿山进行了智能开采的工业试验,重点介绍了地下智能铲运机在通信系统、定位系统和信息采集系统的支持下,如何实现无人驾驶。试验证明智能开采技术切实可行,对促进我国采矿技术向智能化方向发展、增强我国矿业行业的核心竞争能力有巨大的推动作用。
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一种对工业过程复杂液体进行非接触原态在线实时监测方法
段宁, 降林华, 徐夫元, 张歌
Engineering . 2018, 4 (3): 392 -397 .   https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.005
摘要   PDF (1761KB)
无法对工业过程大量存在的复杂液体在线实时监测导致资源消耗和污染产生过多的现象十分普遍。本文介绍一种对高强包裹性和高盐多组分液体中目标物质进行非接触原态在线实时监测的方法,该方法的原理是建立液体中目标物质浓度(C)、不同浓度目标物质色空间坐标(L*, a*, b*)  和最大吸收波长(λmax)三者之间的关系,利用最佳波长λT下高精度扫描式检测系统表达的液体光强信息直接测定流动液体中目标物质的瞬时浓度。与传统分析方法和现有在线分析方法不同,这种方法无需对样品进行任何预处理(过滤、稀释、定容、氧化/还原、添加显色剂等),可实现测试样品的原态化在线实时监测。将一家大型电解锰企业陈化液(Fe3+浓度0.5~18 mg•L-1, 锰离子35~39 g•L-1,硫酸铵90~110 g•L-1)胶体化过程中三价铁离子浓度的实测结果与离线实验室测试结果相比,二者相对误差小于2%。
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机械化学法辅助荧光体浸出——稀土回收绿色工程法
Steff Van Loy, Koen Binnemans, Tom Van Gerven
Engineering . 2018, 4 (3): 398 -405 .   https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.015
摘要   PDF (1703KB)
稀土元素(REE)是设计和开发可持续能源应用的重要金属。从富含稀土元素的废物流中回收这些元素对实现独立、可持续的未来能源供应至关重要。本研究比较了从绿灯荧光体LaPO4:Ce3+,Tb3+回收稀土元素的两种机制:在湿法冶金酸浸工艺前与溶剂冶金机械化学浸出工艺前的机械活化机制。稀土元素浸出率在机械活化后增加60%,完成机械化学浸出工艺后增加98%。高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)成像揭露了系统元素浸出率增加的原因:浸出与浸出模式的改善可归因于晶体形态从单晶体到多晶体的转变。多晶形材料的雏晶尺寸减小至纳米级,使化学单元出现不规则填充,导致晶体内缺陷颗粒边界的增加,从而增强浸出工艺。发明了一种溶剂冶金法将机械活化与浸出工艺结合成一个步骤,这有利于降低运营成本。其结果是简单、高效的工艺提供了更加绿色的荧光体废物回收替代途经。
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含高浓度无机颗粒的有机废液分离及回用技术
汪华林, 付鹏波, 李剑平, 黄渊, 赵颖, 姜来, 方向晨, 杨涛, 黄朝晖, 黄诚
Engineering . 2018, 4 (3): 406 -415 .   https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.014
摘要   PDF (3309KB)
有机废液的无害化、资源化处理是环境工程的前沿之一,随着化学品需求不断增加,石油、煤和天然气转化中排放的含高浓度无机污染物的有机废液问题更趋严重。本文通过同步高速摄像技术发现了三维旋转湍流场中颗粒物高速自转和翻转现象,自转速度高达2000~6000 rad·s-1,利用这一现象发明了颗粒物孔隙中有机物旋流自转脱除方法,开发了废液中有机污染物旋流自转回收、无机颗粒物气流加速度分级回用的工艺流程,并成功应用于中国石化第一套自主研发的沸腾床渣油加氢工程示范装置中。该技术与美国T-STAR含废催化剂的有机废液固定床气提技术相比,同温度下催化剂颗粒脱液效率最高可提高44.9个百分点,实现95%脱液效率的处理时间从1956.5 s降低到8.4 s,并实现了外排催化剂颗粒按活性分级进行回用。提出了200万吨/年沸腾床渣油加氢装置的外排有机废液控制及无机颗粒回收利用技术方案,预期可回收柴油3100吨/年,高活性催化剂颗粒647吨/年,降低装置新鲜催化剂消耗量518吨/年,直接经济效益3728万元/年,具有显著的经济、社会和环境效益。
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凝变除湿复合烟气深度净化技术工程应用
刘建民, 朱法华, 马修元
Engineering . 2018, 4 (3): 416 -420 .   https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.009
摘要   PDF (780KB)
湿法脱硫后湿烟气排放会形成湿烟羽现象,不仅浪费水资源,产生视觉污染,同时湿烟气中的SO3、溶解在液态水中的盐、颗粒物等在大气环境中会形成二次污染。本文提出了一种凝变除湿复合烟气深度净化技术,包括凝变湿电一体化和凝变除雾一体化两种技术路线,分别在630 MW和1000 MW燃煤机组上进行了工程应用。结果表明,凝变除湿复合烟气深度净化技术对脱硫后饱和湿烟气的除水量大于4 g·kg-1·℃-1,在烟气温度降低1.5~5.3℃时,可回收烟气中5%~20%的水分,有效节约水资源;显著减少水汽排放,有效消除湿烟羽现象;离子浓度降低65%以上,SO3脱除率大于75%,颗粒物脱除率为92.53%。
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工业灰渣资源化利用——针铁矿稳定化的环境影响评价
Andrea Di Maria, Karel Van Acker
Engineering . 2018, 4 (3): 421 -429 .   https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.008
摘要   PDF (1208KB)
针铁矿是锌生产过程中产生的富含金属的灰渣。从针铁矿中回收金属被证明是可行的,但大规模回收不具备经济可行性。因此,目前针铁矿采用填埋处理,不仅经济成本高,而且环境风险大。本研究的目标是对一种新的针铁矿灰渣稳定化方法进行环境影响评价,该方法旨在回收针铁矿中有用的锌并通过生成清洁副产物避免填埋针铁矿。所述的针铁矿稳定化方法包含两道工序:① 等离子体烟化和②烟化渣无机聚合。等离子体烟化通过针铁矿烟化回收有用金属。脱去金属的烟化渣经无机聚合形成无机聚合物,无机聚合物可作为一种新建材代替普通硅酸盐水泥(OPC)混凝土。生命周期评价(LCA)用于比较无机聚合物的环境影响与等效普通硅酸盐水泥混凝土的环境影响。生命周期评价结果显示烟化法和无机聚合的环境负担与回收金属、代替普通硅酸盐水泥混凝土、避免针铁矿填埋的环境效益之间此消彼长的关系。由于避免了针铁矿的填埋,用针铁矿生产无机聚合物在一些环境影响类别里的环境表现更好。然而,在全球变暖等另外一些环境影响类别里,针铁矿稳定化受到等离子体烟化法高能耗要求的影响很大,能耗要求高是本文提出的针铁矿回收方案的环境热点。本文指出了实现针铁矿可持续稳定化的关键要素,包括使用清洁能源、提高烟化气排放控制的有效性和通过提高无机聚合过程的效率减少烟化渣的使用。
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国内刊号:CN10-1244/N    国际刊号:ISSN2095-8099
版权所有 © 2015 高等教育出版社  《中国工程科学》杂志社
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