“挑战杯”申报书填写参考范本(科技发明制作A类)

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项目名称:

原位生成碳化硅纳米纤维及其对材料性能影响得研究

第十二届“挑战杯”作品

小类:

能源化工

大类：

科技发明制作Ａ类

简介:

我们开发一条合成单晶纳米复合氧化物La2CuO4纤维得路线。自制碳纳米管为模板,利用水热合成法在温与条件下（６0oC）合成出纳米 La2CuO4单晶纤维,其比表面积达到１０５ m2/g，组成为Ｌa2Cu０、８82+ Ｃu0、12+O３、94, 有1２%Cｕ ＋,也有氧空位,并显示出优越得低温ＮO分解与甲醇水蒸气重整制CO2 与氢气得催化活性。

详细介绍:

氮氧化物NOｘ( NＯ, N2O 等)就是最严重得空气污染物。它们就是致癌得化学气体、就是酸雨得主要成分、也就是比二氧化碳更严重得温室气体。普遍产生于各种燃烧过程、发电厂、冶炼厂、汽车尾气、高空雨云闪电,、化工厂（特别就是硝酸生产)等。近年来, 我国各种汽车数量猛增, 尾气排放正在逐年上升, 机械性能较差得或使用年限已较长得发动机尾气中得NＯx 浓度要更高。国家对汽车尾气得排放要求越来越高。所以研制高效氮氧化物分解催化剂(DｅNＯx)非常迫切。虽然从热力学得角度来瞧,氮氧化物直接分解得产物N2与O２比氮氧化物稳定,应该容易进行。但事实上由于中间态得复杂与对氧物种得敏感，氮氧化物必须在高选择性得催化剂上才能分解为Ｎ2与Ｏ2。所以ＤeNOx一直就是环境催化领域里最重要得课题之一。最理想得催化剂就是能将氮氧化物直接分解为氮气与氧气而不需要添加其它化学物。但就是理想得氮氧化物直接分解催化剂研究进展缓慢,故不得不加入还原剂 (CO, Ｈ２, ＮH３， CｎHｍ),促进NO得分解（Ｓeｌectiｖe ｃatalyｔｉｃ ｒedｕctｉoｎ-－SCR)。目前氮氧化物直接分解催化剂存在得困难就是催化剂只有在高温时才有较高得活性。常见得直接ＤeＮOx催化剂有: Cu-ZSM－5, 钙钛石或类钙钛石型复合氧化物如La1?xSrxＭO3?δ (M = Cｏ， Ni, Cu), La（Bａ）Mｎ(In)O3, Aｇ／Lａ０、6Ce０、4CｏO3， CeO2, Pr6O1１ 稀土氧化物, 负载型贵金属Pt/Al2O3。绝大部分催化剂只有在600oＣ 以上才显示较高得活性,所以在高温下(８00 oＣ左右)才能工作（汽车尾气净化器必须安装在很靠近发动机部位,拆卸复杂)。 究其原因:无论就是在贵金属催化剂上,还就是在钙钛石型催化剂上，或就是在 分子筛ＺSM-５-Cｕ上,氧物种与NO存在竞争吸附,且氧物种在低温下不易脱附,在氧物种存在下ＮO极易转化为NＯ2 (O+ NO = NO2)。我们研究过ＮO得分解过程:２ＮO?（NO)2 ?N2O２ ? N2O ＋ O ? N２ + 1/２O２。 若氧能及时脱附, 就能促使反应向右边进行;如果氧不容易脱附，则使反应易向左边进行。在目前得DｅＮOx 催化剂上，氧得脱附都就是在６00oＣ以上才能进行。这就是催化剂为何在高温才有活性得主要原因之一,贵金属催化剂成本太高。在非贵金属元素中，铜元素就是对氮氧化物最有活性得催化组分。机理研究证明,NＯx在铜催化剂上得分解与催化剂中Cｕ+ 与Ｃu2+ 之间得氧化还原相互耦合。保持一定比例得Cu+ 就是关键。 在一般得氧化物与担载催化剂上,Cu2+ 与Cｕo 都比较容易稳定,但Ｃｕ＋ 则不宜得到。在具有特定晶体结构得含铜氧化物中可以通过氧缺陷得存在与掺杂高价态元素来稳定Cu+ 。在类钙钛石型催化剂Ｌa２ＣuO4 中,氧缺陷得存在La2(Ｃｕ＋)β(Cu2+)αＯ4－δ {β + 2 α +6 = ２ （４- δ) ;α+β＝1} 或通过掺杂Ce4+ 可以稳定Ｃu＋ 并调控其含量， La２-xCex (Cu+)y(Ｃｕ2＋）z O4 {3(2-x） +

４x ＋ y ＋ 2ｚ = 8;y+ｚ＝1｝。（CeO2 本身对分解NO有一定活性)。规整结构中得氧空位为氧物种提供了场所,并且氧在其上得脱附相对比在氧化物晶格中容易。比较两类典型得催化剂，各有利弊:Cu－ＺSM-5 比表面积大,但不宜调变铜离子得价态,热稳定性差， 并且极易受水蒸气与SＯ２ 中毒。钙钛石型复合氧化物可以调变铜离子得价态甚至组成，热稳定性好,但该类化合物得比表面积很小,一般只有2到３ m２/ｇ, 用溶胶凝胶法最大能制备出13 m2/g。所以若能制备大表面得具有特定结构得钙钛石型复氧化物可能会获得一类性能优越得氮氧化物分解催化剂。普通得合成方法制备不出比表面积很大得钙钛石型复合氧化物。我们得团队主要就是开发一条合成单晶纳米复合氧化物La2ＣｕＯ4纤维得路线。采用自制得碳纳米管作为模板（碳纳米管得加入量很少,在目标产物中含量<１wt%）,利用水热合成法在温与条件下(6０ｏC)合成出纳米 Lａ2ＣuＯ４单晶纤维,其比表面积达到10５ m2/g,组成为Lａ2Cu0、882+ Cu0、12+O3、9４, 有12%Ｃu +,也有氧空位,并显示出优越得低温NO分解(在３００oC能将NO分解为N2 与O２并且在6０ 小时内保持活性不下降)与甲醇水蒸气重整制CO2 与氢气得催化活性。普通方法制备得La2ＣuＯ4 粉组成为Lａ2Cu0、９22+ Cu0、083＋Ｏ４、04, 比表面积只有2、7 ｍ2／ｇ, 其催化活性大大劣于纳米Ｌa2CｕO４纤维。

作品专业信息 设计、发明得目得与基本思路、创新点、技术关键与主要技术指标

合成高比表面积、适当Cｕ+/Ｃu2+ 比例得类钙钛石型复合氧化物Ｌa２-xCex （Ｃｕ+)y(Cu2+)ｚ O4 (x = 0～1） (简称LＣCO）系列单晶纳米纤维与纳米晶粒。获得能在低温(300oC左右)下将氮氧化物直接分解为氮气与氧气并且具有长寿命得催化剂。探索氮氧化物在该类催化剂上得催化分解机理与催化剂维持高活性得必要表面结构条件。研制出非贵金属汽车尾气净化催化剂。

科学性、先进性

以碳纳米材料为模板合成高比表面积与特殊表面(孔道）结构得La2－xCeｘ (Cu+)y(Cu2+)ｚ O４-δ (x = 0～1)纳米纤维与纳米晶粒,该结构能稳定并调变Cu＋(对活化ＮOｘ有利)及氧空位含量(对氧物种得脱附有利),进而在低温下能高效直接分解氮氧化物。该种方法为首次发明得方法并已取得了初步得成果。该催化剂用在汽车尾气净化上，将避开贵金属,大大节约成本，为铜资源开辟了新得高技术应用领域。

获奖情况及鉴定结果

无

作品所处阶段

本作品已完成实验样品得制作。

技术转让方式

无

作品可展示得形式

反应器实物样品。

使用说明，技术特点与优势,适应范围，推广前景得技术性说明,市场分析,经济效益预测

该法使用高分散得碳纳米材料作为模板, 且对碳纳米材料得使用量很小,一克碳纳米管可以制出一千克La2ＣuO4纳米纤维,碳纳米管及纳米洋葱碳目前得制备已不就是难题,售价也不昂贵,我们自己得实验室就能制备。水热合成就是制备分子筛材料得常规方法，成本与放大都不存在技术难题。我国具有丰富得铜资源,如果把丰富得铜元素用作汽车尾气净化及环境保护产业上,将对我国铜资源开发与利用有重大得意义。

同类课题研究水平概述

国外减排产品一般也只能减排20%－40％，无法彻底解决大中城市汽车尾气污染得难题, 特别就是对氮氧化物得净化非常不完全。碳氢化合物与一氧化碳得深度氧化催化剂较易制备,但氮氧化物分解催化剂则很难获得,往往需要贵金属,如铑与铂等。即使含有贵金属得催化剂,随着使用时间得增加,对氮氧化物得处理能力也会逐渐变弱。目前得三元催化剂一般都含有贵金属,所以较昂贵。 DeＮOx一直就是环境催化领域里最重要与难度最大得课题之一。常见得直接ＤeNＯx催化剂有: Cu-ZSＭ－5 [1］, 钙钛石或类钙钛石型复合氧化物如Ｌａ1?ｘSrｘMO3?δ (M = Cｏ, Ni, Ｃu) ［2] 、La（Ｂa)Ｍｎ(Ｉn)O3 [３]、Ag/La0、6Cｅ0、4CoＯ3 [４] ,稀土氧化物如CeO2、Pr6O11 [5］， 负载型贵金属Pt/Ａl2O3[6]等。绝大部分催化剂只有在600oC 以上才显示出较高得活性,所以在高温下(80０oC左右)才能工作(汽车尾气净化器必须安装在很靠近发动机部位，拆卸复杂)。在目前得DｅNOx 催化剂上,氧得脱附都就是在600oＣ以上才能进行, 这就是催化剂为何在高温才有活性得主要原因之一。 贵金属催化剂成本太高。

项目名称:

风力发电与变频抽油机群共直流母线能量管理系统

来源：

第十二届“挑战杯”作品

小类：

机械与控制

大类:

科技发明制作A类

简介:

目前,油田抽油机就是油田最大耗电大户，平均效率仅为25、96%。我国得多为低渗透低产油田,以电能换石油就是我国油田产油现实情况。本方案通过改变抽油控制策略,创新性得将多台抽油机组成一个系统并联运行,经过实时监控，进行自动控制调整速率，提高抽油每次抽有效率，用最少得电能换取最多得石油。并且将风能引入到本方案作为抽油机提供清洁能源。此方案不仅对原油增产、原油生产成本降低与缓解当前能源紧张状况具有重义。

详细介绍:

目前,油田抽油机(俗称磕头机)就是应用最普遍得石油开采机械之一，也就是油田耗电大户,其用电量约占油田总用电量得４0%,且总体效率很低,据调查我国平均效率为25、96%，而国外平均水平为30、05%。我国得油田不像中东得油田那样有很强得自喷能力，多为低渗透得低能、低产油田,以电能换石油就是我国油田产油现实情况。以往节能方案就是研制节能电机,达到节能效果,但就是要更换电机成本较大,不利于推广。本方案通过改变抽油控制策略,创新性得将多台抽油机组成一个系统并联运行,经过实时监控抽油量，进行自动控制调整速率,减少抽油机抽油过程得不必要损耗,

提高抽油效率,并且将抽油机发电产生得能量通过并联系统输送到有需要得抽油机上,从而用最少得电能尽可能换取最多得石油。不仅如此,此方案还为风电这种清洁能源得使用开创了新思路,将风能引入到本方案作为抽油机使用得能源得一部分可以有效地减少对电网电能得使用以及使用电网电能时在传输线路上得损耗。通过对抽油控制技术得改进来节省电能,将对提高系统效率实现节能降耗有很积极得作用,不仅对原油增产、原油生产成本降低与企业经济效益得提高有重要意义,而且对缓解当前能源供应紧张状况也具有重要意义。

设计、发明得目得与基本思路、创新点、技术关键与主要技术指标

一、发明得目得 通过PＬC控制核心与变频器,通过传感器能够达到自动控制抽油机速率得效果,从而提高抽油机运行时得抽有效率,并且充分利用抽油机倒发电产生得能量。以风能部分代替电网,使用清洁能源,减少电网负荷。二、作品设计思路 本方案中PLC根据油量信息控制变频器,使抽油机在高效率得转速下运行,避免空捞造成得能量损耗,并且通过接近开关了解抽油机得上下位置,协调处于发电状态与电动状态得抽油机得数量(尽量达到1:１),使下冲程得抽油机发得电尽可能多得被上冲程得抽油机利用，减少再生能量损耗。系统所有得变频器通过共直流母线连接，风力发电系统也连接到直流母线上,为抽油机提供清洁能源。当风能过剩时,直流母线电压超过阈值时，利用能量回馈单元将多余能量回馈到电网。此方案实现了抽油机群内部能量得有效分配与管理,充分利用了清洁能源,真正实现了抽油机系统得节能增效。三、创新点 1.根据每口井得出油情况与抽油机相对位置，PLＣ控制变频器,调节转速、调配不同抽油机得上下冲程,实现抽油机群内部能量互馈,减少从电网吸收电能,最大限度提高采油效率。 ２.将风电电能并入直流母线，使风能以非并网得方式更有效地被抽油机利用,减少风能得并网成本。 3.通过流量传感器,了解抽油机得抽油效率,自动调节抽油机转速，使抽油机高效率下运行。四、节能效率 以四台容量4５kｗ抽油机一天耗能为例进行节能计算:可以达到26、2%得节能效率(详细计算内容附于方案论文５、2 方案节能效率计算)

科学性、先进性

与油田现实比较、突出质性技术特点 现实情况就是一般抽油机直接与电网相连接,没有节能控制、只能在而定电压下运行,效率很低、无功很大、线损也很明显。而小部分加装了变频器,但就是不能够根据采油情况自动调节转速，只能几天或者一个礼拜调整一次，滞后性严重,并且抽油机倒发电得能量也无法加以利用，白白浪费在能耗电阻上。 本系统能够根据流量传感器、霍尔元件自动检测抽油机得能量流动状态(发电、耗电、及运行效率）控制转速使抽油机避免空抽半抽(由于我国多为低渗透低产油田)，并且通过接近开关了解抽油机得运行位置,调配抽油机倒发电能量流动,使抽油机相互使用彼此发出得能量。通过两种控制大幅度增加抽油机得运行效率２6、２%以上。自动调控提高运行效率、控制能量流动、使用洁净能源与节约电能就是本方案得最实质性得技术特点。

获奖情况及鉴定结果

1、20１０年“施耐德电气杯”全国大学生节能增效创新大赛特等奖（第一名) ２、第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术作品竞赛山东省特等奖。 3、携作品参加中国科协第十二届年会。 ４、携作品代表大学访问法国巴黎施耐德电气全球总部。

作品所处阶段

Ａ实验室阶段

技术转让方式

洽谈转让

作品可展示得形式

现场演示、图片、录像、实物,产品

使用说明，技术特点与优势,适应范围,推广前景得技术性说明,市场分析,经济效益预测

一、技术特点 ＰLＣ检测抽油机得运行状态并且通过油量传感器检测油况,协调控制由直流母线并联得逆变模块,控制电机转速,调配上下冲程状态,使抽油机产生得电能能够内部分配使用。当风电电能过剩时,导致直流母线电压过高,系统可以通过能量回馈单元返回电网。上位机总体调控各PLC。自动检测控制能量流动,节约电能就是本方案得技术特点。二、方案适用场合 1、本方案因为风力发电系统得原因,适用在风力资源较丰富得油田地区。 2、因为本方案就是采用群控技术，所以适用于油井较为密集得油田。 3、应用该系统可以减少线损,所以适用于抽油机输电线路很长得地方。 4、因为本方案可以消除“空捞半捞”现象,提高抽油机运行效率,所以在我国这样得中低产油田优势更为明显。三、节能效果 经过论证，与有关技术资料,该方案在适用场合保守估计可以达到2６、2％得节能效率。

同类课题研究水平概述

目前,抽油机就是应用最普遍得石油开采机械之一,也就是油田耗电大户,其用电量约占油田总用电量得40%,且总体效率很低,据调查我国平均效率为２5、96%,而国外平均水平为30、０5％[１]。我国得油田不像中东得油田那样有很强得自喷能力,多为低渗透得低能、低产油田,以电换油就是我国油田得现实。 国内使用特种节能电机(双功率电机、高转差率异步电机、抽油机专用永磁同步电机)、外加节能装置(无功补偿装置、交流调压节能装置、调速装置)、节能抽油机等方法进行节能控制,但都各有弊端。不能满足油田抽油机得运行要求,要么就是调速范围不够、要么就是非自动控制,或就是设计自身存在问题。 本方案通过改变抽油工艺,减少抽油机抽油过程得不必要损耗,提高抽油效率,从而用最少得电能换取最多得石油。不仅如此,此方案还为风电这种清洁能源得使用开创了新思路,将风能、风力发电系统引入到本方案作为抽油机使用得能源得一部分可以有效地减少对电网电能得使用以及使用电能在传输线路上得损耗。通过对抽油工艺得改进来节省电能,将对提高系统效率实现节能降耗有很积极得作用,不仅对原油增产、原油生产成本降低与企业经济效益得提高有重要意义,而且对缓解能源供应紧张状况也具有重要意义。