“挑戰杯”申報書填寫參考范本科技發明制作A類項目名稱：原位生成碳化硅納米纖維及其對材料性能影響的研究第十二屆''挑戰杯〃作品小類：能源化工大類：科技發明制作A類簡介：我們開發一條合成單晶納米復合氧化物La2CuO4纖維的路線;自制碳納米管為模板，利用水熱合成法在溫和條件下600c合成出納米La2CuO4單晶纖維，其比表面積達到105m2/g,組成為++,有12%Cu+,也有氧空位,并顯示出優越的低溫NO分解和甲醇水蒸氣重整制C02和氫氣的催化活性；詳細介紹：氮氧化物NOxNO,N20等是最嚴重的空氣污染物;它們是致癌的化學氣體、是酸雨的主要成分、也是比二氧化碳更嚴重的溫室氣體;普遍產生于各種燃燒過程、發電廠、冶煉廠、汽車尾氣、高空雨云閃電,、化工廠特別是硝酸生產等;近年來,我國各種汽車數量猛增，尾氣排放正在逐年上升，機械性能較差的或使用年限已較長的發動機尾氣中的NOx濃度要更高;國家對汽車尾氣的排放要求越來越高;所以研制高效氮氧化物分解催化劑DeNOx非常迫切;雖然從熱力學的角度來看，氮氧化物直接分解的產物N2和02比氮氧化物穩定，應該容易進行;但事實上由于中間態的復雜和對氧物種的敏感，氮氧化物必須在高選擇性的催化劑上才能分解為N2和02;所以DeNOx一直是環境催化領域里最重要的課題之一;最理想的催化劑是能將氮氧化物直接分解為氮氣和氧氣而不需要添加其它化學物;但是理想的氮氧化物直接分解催化劑研究進展緩慢,故不得不加入還原劑CO,H2,NH3,CnHm,促進NO的分解Selectivecatalyticreduction-SCR;目前氮氧化物直接分解催化劑存在的困難是催化劑只有在高溫時才有較高的活性;常見的直接DeNOx催化劑有：Cu-ZSM-5,鈣鈦石或類鈣鈦石型復合氧化物如Lal-xSrxMO3-6M=Co,Ni,Cu,LaBaMnInO3,Ag/CeO2,Pr6011稀土氧化物，負載型貴金屬Pt/AI2O3;絕大部分催化劑只有在600oC以上才顯示較高的活性,所以在高溫下800oC左右才能工作汽車尾氣凈化器必須安裝在很靠近發動機部位，拆卸復雜；究其原因:無論是在貴金屬催化劑上，還是在鈣鈦石型催化劑上，或是在分子篩ZSM-5-Cu上，氧物種與NO存在競爭吸附，且氧物種在低溫下不易脫附，在氧物種存在下NO極易轉化為N020+NO=N02;我們研究過NO的分解過程：2N0-N02-N2O2一N20+0-N2+1/202;若氧能及時脫附，就能促使反應向右邊進行；如果氧不容易脫附，則使反應易向左邊進行;在目前的DeNOx催化劑上，氧的脫附都是在600OC以上才能進行;這是催化劑為何在高溫才有活性的主要原因之一，貴金屬催化劑成本太高;在非貴金屬元素中，銅元素是對氮氧化物最有活性的催化組分;機理研究證明,NOx在銅催化劑上的分解與催化劑中Cu+和Cu2+之間的氧化還原相互耦合;保持一定比例的Cu+是關鍵；在一般的氧化物和擔載催化劑上,Cu2+和Cu。都比較容易穩定，但Cu+則不宜得到;在具有特定晶體結構的含銅氧化物中可以通過氧缺陷的存在和摻雜高價態元素來穩定Cu+;在類鈣鈦石型催化劑La2CuO4中,氧缺陷的存在La2Cu+BCu2+aO4-b{B+2ci+6=24-6；a+p=l}或通過摻雜Ce4+可以穩定Cu+并調控其含量，La2?xCexCu+yCu2+z04{32-x+4x+y+2z=8；y+z=l};CeO2本身對分解NO有一定活性;規整結構中的氧空位為氧物種提供了場所，并且氧在其上的脫附相對比在氧化物晶格中容易;比較兩類典型的催化劑，各有利弊:Cu-ZSM-5比表面積大，但不宜調變銅離子的價態,熱穩定性差，并且極易受水蒸氣和S02中毒;鈣鈦石型復合氧化物可以調變銅離子的價態甚至組成，熱穩定性好，但該類化合物的比表面積很小，一般只有2到3m2/g,用溶膠凝膠法最大能制備出13m2/g;所以若能制備大表面的具有特定結構的鈣鈦石型復氧化物可能會獲得一類性能優越的氮氧化物分解催化劑;普通的合成方法制備不出比表面積很大的鈣鈦石型復合氧化物;我們的團隊主要是開發一條合成單晶納米復合氧化物La2CuO4纖維的路線;采用自制的碳納米管作為模板碳納米管的加入量很少，在目標產物中含量vlwt%,利用水熱合成法在溫和條件下600c合成出納米La2CuO4單晶纖維，其比表面積達到105m2/g,組成為++,有12%Cu+,也有氧空位,并顯示出優越的低溫NO分解在300OC能將NO分解為N2和02并且在60小時內保持活性不下降和甲醇水蒸氣重整制C02和氫氣的催化活性;普通方法制備的La2CuO4粉組成為++,比表面積只有m2/g,其催化活性大大劣于納米La2CuO4纖維；作品專業信息設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標合成高比表面積、適當Cu+/Cu2+比例的類鈣鈦石型復合氧化物La2-xCexCu+yCu2+z04x=0-1簡稱LCCO系列單晶納米纖維和納米晶粒;獲得能在低溫300OC左右下將氮氧化物直接分解為氮氣和氧氣并且具有長壽命的催化劑;探索氮氧化物在該類催化劑上的催化分解機理和催化劑維持高活性的必要表面結構條件;研制出非貴金屬汽車尾氣凈化催化劑；科學性、先進性以碳納米材料為模板合成高比表面積和特殊表面孔道結構的La2-xCexCu+yCu2+z04-6x=0-1納米纖維和納米晶粒，該結構能穩定并調變Cu+對活化NOx有利及氧空位含量對氧物種的脫附有利，進而在低溫下能高效直接分解氮氧化物;該種方法為首次發明的方法并已取得了初步的成果;該催化劑用在汽車尾氣凈化上，將避開貴金屬,大大節約成本，為銅資源開辟了新的高技術應用領域；獲獎情況及鑒定結果無作品所處階段本作品已完成實驗樣品的制作；技術轉讓方式無作品可展示的形式反應器實物樣品;使用說明，技術特點和優勢，適應范圍，推廣前景的技術性說明，市場分析,經濟效益預測該法使用高分散的碳納米材料作為模板，且對碳納米材料的使用量很小，一克碳納米管可以制出一千克La2CuO4納米纖維，碳納米管及納米洋蔥碳目前的制備已不是難題，售價也不昂貴，我們自己的實驗室就能制備;水熱合成是制備分子篩材料的常規方法，成本和放大都不存在技術難題;我國具有豐富的銅資源，如果把豐富的銅元素用作汽車尾氣凈化及環境保護產業上，將對我國銅資源開發和利用有重大的意義；同類課題研究水平概述國外減排產品一般也只能減排20%—40%,無法徹底解決大中城市汽車尾氣污染的難題，特別是對氮氧化物的凈化非常不完全;碳氫化合物和一氧化碳的深度氧化催化劑較易制備,但氮氧化物分解催化劑則很難獲得，往往需要貴金屬,如錯和伯等;即使含有貴金屬的催化劑，隨著使用時間的增力口，對氮氧化物的處理能力也會逐漸變弱；目前的三元催化劑一般都含有貴金屬,所以較昂貴；DeNOx一直是環境催化領域里最重要和難度最大的課題之一;常見的直接DeNOx催化劑有：Cu-ZSM-5lz鈣鈦石或類鈣鈦石型復合氧化物如Lal-xSrxMO3-6M=Co,Ni,Cu2、LaBaMnInO33、Ag/4，稀土氧化物如CeO2、Pr60115,負載型貴金屬Pt/AI2O36等;絕大部分催化劑只有在600oC以上才顯示出較高的活性,所以在高溫下800oC左右才能工作汽車尾氣凈化器必須安裝在很靠近發動機部位，拆卸復雜;在目前的DeNOx催化劑上，氧的脫附都是在600oC以上才能進行，這是催化劑為何在高溫才有活性的主要原因之一；貴金屬催化劑成本太高；項目名稱:風力發電和變頻抽油機群共直流母線能量管理系統來源:第十二屆''挑戰杯〃作品小類:機械與控制大類：科技發明制作A類簡介：目前，油田抽油機是油田最大耗電大戶，平均效率僅為％；我國的多為低滲透低產油田，以電能換石油是我國油田產油現實情況;本方案通過改變抽油控制策略，創新性的將多臺抽油機組成一個系統并聯運行,經過實時監控，進行自動控制調整速率，提高抽油每次抽有效率，用最少的電能換取最多的石油;并且將風能引入到本方案作為抽油機提供清潔能源;此方案不僅對原油增產、原油生產成本降低和緩解當前能源緊張狀況具有重義；詳細介紹：目前，油田抽油機俗稱磕頭機是應用最普遍的石油開采機械之一，也是油田耗電大戶，其用電量約占油田總用電量的40%,且總體效率很低，據調查我國平均效率為％，而國外平均水平為％;我國的油田不像中東的油田那樣有很強的自噴能力，多為低滲透的低能、低產油田，以電能換石油是我國油田產油現實情況;以往節能方案是研制節能電機,達到節能效果/旦是要更換電機成本較大，不利于推廣;本方案通過改變抽油控制策略，創新性的將多臺抽油機組成一個系統并聯運行，經過實時監控抽油量，進行自動控制調整速率，減少抽油機抽油過程的不必要損耗,提高抽油效率，并且將抽油機發電產生的能量通過并聯系統輸送到有需要的抽油機上，從而用最少的電能盡可能換取最多的石油;不僅如此，此方案還為風電這種清潔能源的使用開創了新思路,將風能引入到本方案作為抽油機使用的能源的一部分可以有效地減少對電網電能的使用以及使用電網電能時在傳輸線路上的損耗;通過對抽油控制技術的改進來節省電能，將對提高系統效率實現節能降耗有很積極的作用,不僅對原油增產、原油生產成本降低和企業經濟效益的提高有重要意義，而且對緩解當前能源供應緊張狀況也具有重要意義；設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標一、發明的目的通過PLC控制核心和變頻器,通過傳感器能夠達到自動控制抽油機速率的效果，從而提高抽油機運行時的抽有效率,并且充分利用抽油機倒發電產生的能量;以風能部分代替電網，使用清潔能源，減少電網負荷;二、作品設計思路本方案中PLC根據油量信息控制變頻器，使抽油機在高效率的轉速下運行，避免空撈造成的能量損耗，并且通過接近開關了解抽油機的上下位置,協調處于發電狀態和電動狀態的抽油機的數量盡量達到1:1,使下沖程的抽油機發的電盡可能多的被上沖程的抽油機利用,減少再生能量損耗;系統所有的變頻器通過共直流母線連接,風力發電系統也連接到直流母線上，為抽油機提供清潔能源;當風能過剩時，直流母線電壓超過閾值時，利用能量回饋單元將多余能量回饋到電網;此方案實現了抽油機群內部能量的有效分配和管理，充分利用了清潔能源，真正實現了抽油機系統的節能增效;三、創新點1.根據每口井的出油情況和抽油機相對位置,PLC控制變頻器，調節轉速、調配不同抽油機的上下沖程,實現抽油機群內部能量互饋，減少從電網吸收電能，最大限度提高采油效率；2.將風電電能并入直流母線，使風能以非并網的方式更有效地被抽油機利用，減少風能的并網成本；3.通過流量傳感器,了解抽油機的抽油效率,自動調節抽油機轉速，使抽油機高效率下運行;四、節能效率以四臺容量45kw抽油機一天耗能為例進行節能計算：可以達到%的節能效率詳細計算內容附于方案論文方案節能效率計算科學性、先進性與油田現實比較、突出質性技術特點現實情況是一般抽油機直接與電網相連接，沒有節能控制、只能在而定電壓下運行，效率很低、無功很大、線損也很明顯;而小部分加裝了變頻器，但是不能夠根據采油情況自動調節轉速，只能幾天或者一個禮拜調整一次，滯后性嚴重，并且抽油機倒發電的能量也無法加以利用，白白浪費在能耗電阻上；本系統能夠根據流量傳感器、霍爾元件自動檢測抽油機的能量流動狀態發電、耗電、及運行效率控制轉速使抽油機避免空抽半抽由于我國多為低滲透低產油田，并且通過接近開關了解抽油機的運行位置,調配抽油機倒發電能量流動，使抽油機相互使用彼此發出的能量;通過兩種控制大幅度增加抽油機的運行效率％以上;自動調控提高運行效率、控制能量流動、使用潔凈能源和節約電能是本方案的最實質性的技術特點；獲獎情況及鑒定結果1、2010年''施耐德電氣杯''全國大學生節能增效創新大賽特等獎第一名2、第十二屆''挑戰杯〃全國大學生課外學術作品競賽山東省特等獎；3、攜作品參加中國科協第十二屆年會；4、攜作品代表大學訪問法國巴黎施耐德電氣全球總部；作品所處階段A實驗室階段技術轉讓方式洽談轉讓作品可展示的形式現場演示、圖片、錄像、實物，產品使用說明，技術特點和優勢，適應范圍，推廣前景的技術性說明，市場分析,經濟效益預測一、技術特點PLC檢測抽油機的運行狀態并且通過油量傳感器檢測油況，協調控制由直流母線并聯的逆變模塊，控制電機轉速，調配上下沖程狀態，使抽油機產生的電能能夠內部分配使用;當風電電能過剩時，導致直流母線電壓過高，系統可以通過能量回饋單元返回電網;上位機總體調控各PLC;自動檢測控制能量流動，節約電能是本方案的技術特點;二、方案適用場合1、本方案因為風力發電系統的原因，適用在風力資源較豐富的油田地區；2、因為本方案是采用群控技術，所以適用于油井較為密集的油田；3、應用該系統可以減少線損,所以適用于抽油機輸電線路很長的地方