2025年能源化學(xué)工程(能源化工工藝與能源化學(xué)工程)試卷及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.在煤直接液化過(guò)程中，下列哪種催化劑最常用于提高液體收率并抑制結(jié)焦？A.NiMo/Al?O?B.Fe?O?C.ZSM5D.CuZnO/Al?O?答案：B解析：Fe?O?基催化劑成本低、可棄置，且對(duì)煤大分子裂解活性高，能抑制自由基縮合結(jié)焦；NiMo/Al?O?雖活性高，但價(jià)格昂貴，主要用于加氫精制而非前端液化。2.某生物質(zhì)氣流床氣化爐操作溫度1200℃，當(dāng)量比0.28，出爐合成氣中CO?體積分?jǐn)?shù)高達(dá)18%，最可能的原因是：A.床層短路B.水蒸氣/生物質(zhì)質(zhì)量比過(guò)低C.石灰石添加過(guò)量D.氣化劑中CO?循環(huán)比例過(guò)高答案：D解析：高溫下CO?與C的布杜阿爾反應(yīng)速率常數(shù)大，若循環(huán)CO?比例高，會(huì)顯著增加出爐CO?；石灰石主要脫硫，對(duì)CO?影響有限；低S/B比會(huì)降低H?而非升高CO?。3.對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），下列極化損失中，在1.0Acm?2以上電流密度區(qū)占主導(dǎo)的是：A.活化極化B.歐姆極化C.濃差極化D.滲透極化答案：C解析：高電流區(qū)反應(yīng)物擴(kuò)散受限，濃差極化斜率急劇上升；活化極化主要<0.2Acm?2；歐姆極化線(xiàn)性但占比有限；滲透極化屬副反應(yīng)，可忽略。4.在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，若FA?部分被Cs?取代，晶格容忍因子t將：A.增大B.減小C.先增后減D.基本不變答案：B解析：Cs?半徑小于FA?，t=(rA+rO)/[√2(rB+rO)]，rA減小導(dǎo)致t減小，可提高相穩(wěn)定性，抑制光活性黑相→黃相轉(zhuǎn)變。5.關(guān)于CO?電催化還原制乙烯，下列陳述正確的是：A.Cu(100)晶面抑制CC偶聯(lián)B.堿性膜電解器可避免碳酸化堵塞C.提高單池電壓可提高乙烯選擇性D.添加KCl可抑制析氫答案：B解析：堿性膜保持局部OH?，降低CO?與OH?生成CO?2?速率，緩解沉淀；Cu(100)促進(jìn)CC偶聯(lián)；高電壓副反應(yīng)增多；KCl增加離子強(qiáng)度，但析氫抑制主要靠CO覆蓋度。6.某固體氧化物燃料電池（SOFC）以濕氫（3%H?O）為燃料，歐姆阻抗0.15Ωcm2，若電解質(zhì)厚度降至原來(lái)1/3，理論功率密度提升倍數(shù)約為：A.1.0B.1.2C.1.5D.3.0答案：C解析：歐姆損耗ΔV=J·R，厚度減至1/3則R_ohm減至1/3，同電壓下電流密度可提至3倍，但濃差與活化損耗隨電流上升，綜合功率密度≈1.5倍。7.對(duì)費(fèi)托合成Fe基催化劑，添加K助劑的主要作用是：A.降低CO吸附能B.抑制CH?生成C.提高鏈增長(zhǎng)概率αD.增強(qiáng)水煤氣變換活性答案：C解析：K電子給體，增加Fe表面電子密度，穩(wěn)定CHx中間體，提高α；同時(shí)抑制CH?，但核心是提高α；WGS活性主要由Fe?O?相決定。8.在鋰硫電池中，采用硝酸處理多孔碳載硫可顯著提高循環(huán)壽命，其機(jī)理不包括：A.引入含氧官能團(tuán)錨定多硫化物B.降低碳表面疏水性C.形成微孔物理限域D.提高碳導(dǎo)電性答案：D解析：硝酸氧化使sp2碳缺陷增多，導(dǎo)電性下降；其余均為正面效應(yīng)。9.關(guān)于風(fēng)電制氫的堿性電解槽，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是：A.額定電流下，功率波動(dòng)±20%對(duì)電極腐蝕速率影響可忽略B.啟停次數(shù)增加會(huì)加速石棉隔膜潤(rùn)濕失衡C.采用NiFe層狀雙氫氧化物陽(yáng)極可降低過(guò)電位D.系統(tǒng)冷啟動(dòng)時(shí)間通常<5min答案：D解析：堿性槽熱容量大，冷啟動(dòng)需30–60min；NiFeLDH催化OER活性高；波動(dòng)電流主要影響氣體純度，對(duì)腐蝕影響有限。10.對(duì)太陽(yáng)能熱化學(xué)水分解循環(huán)（CeO?/Ce?O?），下列措施可提高太陽(yáng)能氫能效率η_solartoH?的是：A.提高還原溫度并降低氧化溫度B.提高氧化溫度并降低還原溫度C.在還原階段通入水蒸氣D.減小CeO?粒徑至5nm答案：A解析：熱力學(xué)上，高T_red促進(jìn)CeO?→Ce?O?放氧，低T_ox促進(jìn)Ce?O?+H?O→CeO?+H?，拉大溫差可提高理論效率；納米化雖縮短擴(kuò)散，但高溫?zé)Y(jié)反致活性下降。二、填空題（每空1分，共20分）11.煤間接液化第一步生成合成氣，其H?/CO摩爾比最佳為_(kāi)_______，若比值過(guò)低，需經(jīng)________反應(yīng)調(diào)節(jié)。答案：2.1；水煤氣變換（WGS）解析：費(fèi)托合成理想H?/CO≈2.1，低則CO過(guò)剩，需WGS提高H?。12.生物質(zhì)快速熱解液（biooil）高位熱值約________MJkg?1，其pH通常小于________。答案：17；3解析：高含水+有機(jī)酸致pH低，熱值約為柴油之40%。13.固體氧化物電解池（SOEC）共電解CO?/H?O時(shí)，NiYSZ陰極上發(fā)生________反應(yīng)，陽(yáng)極上發(fā)生________反應(yīng)。答案：CO?+H?O+4e?→CO+H?+2O2?；2O2?→O?+4e?解析：氧離子導(dǎo)體，陰極還原，陽(yáng)極析氧。14.光伏儲(chǔ)能直流耦合系統(tǒng)中，若DC母線(xiàn)電壓750V，采用磷酸鐵鋰電池模組3.2V/100Ah，則至少需要________節(jié)串聯(lián)才能滿(mǎn)足母線(xiàn)電壓，此時(shí)理論儲(chǔ)能為_(kāi)_______kWh。答案：235；75.2解析：750/3.2≈234.4→向上取整235串；能量=235×3.2×100/1000=75.2kWh。15.在質(zhì)子交換膜電解水制氫中，若采用Ir??Ru??O?陽(yáng)極催化劑，過(guò)電位在1Acm?2時(shí)為250mV，則其Tafel斜率約________mVdec?1，對(duì)應(yīng)反應(yīng)機(jī)理為_(kāi)_______。答案：40；OER吸附體演化機(jī)理（AEM）解析：IrRu氧化物Tafel≈40mVdec?1，符合AEM單電子轉(zhuǎn)移為速率控制步驟。16.風(fēng)電葉片碳纖維回收采用________法可在<500℃下選擇性降解環(huán)氧樹(shù)脂，同時(shí)回收長(zhǎng)纖維，該方法副產(chǎn)物為_(kāi)_______。答案：催化熱解（或醇解）；苯酚衍生物/醇解低聚物解析：低溫催化熱解或乙二醇醇解可保持纖維長(zhǎng)度，副產(chǎn)可燃油或單體。17.對(duì)鈣鈦礦/硅疊層電池，頂電池帶隙約________eV，底電池帶隙約________eV，可實(shí)現(xiàn)理論極限效率33.7%。答案：1.75；1.1解析：頂電池吸收高能光子，1.75eV為最佳帶隙組合。18.在天然氣蒸汽重整制氫流程中，________變換反應(yīng)器通常置于高低溫變換之間，用于________。答案：中間換熱（或冷凝分水）；降低CO含量并回收熱量解析：高低溫變換（HTS+LTS）之間需降溫分水，避免膜反應(yīng)器中毒。19.采用________溶劑在________條件下可實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素βO4鍵選擇性斷裂，生成芳香單體收率>60%。答案：甲醇水超臨界（或甲酸/NaOH）；300℃/10–15MPa解析：超臨界MeOH/H?O或甲酸供氫斷裂βO4，抑制再聚。20.在CO?捕集礦化一體化工藝中，________礦石與CO?反應(yīng)生成________，實(shí)現(xiàn)永久封存。答案：橄欖石（Mg?SiO?）；菱鎂礦（MgCO?）+二氧化硅解析：橄欖石礦化放熱，產(chǎn)物穩(wěn)定，無(wú)需長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）21.闡述煤直接液化與間接液化的工藝差異，并從能量效率、產(chǎn)品靈活性、碳排放三方面比較優(yōu)劣。答案：(1)工藝差異：直接液化在高溫（430–460℃）、高壓（17–30MPa）下，煤漿與H?在催化劑作用下加氫裂解，生成液體；間接液化先氣化得合成氣，再經(jīng)費(fèi)托合成。(2)能量效率：直接液化熱效率65–70%，高于間接（45–50%），因后者多一步氣化損失。(3)產(chǎn)品靈活性：間接液化通過(guò)調(diào)控催化劑與工藝可得高鏈烷烴柴油、航煤或烯烴；直接液化產(chǎn)品以芳烴+環(huán)烷烴為主，靈活性略低。(4)碳排放：直接液化需外供H?，若H?來(lái)自天然氣SMR，噸產(chǎn)品CO?排放約5.5t；間接液化因氣化段高濃度CO?易捕集，結(jié)合CCS可降至2.5t，碳排放優(yōu)勢(shì)顯著。22.說(shuō)明固體氧化物燃料電池（SOFC）在分布式能源中的優(yōu)勢(shì)，并給出降低800℃長(zhǎng)期運(yùn)行衰減的三條材料工程策略。答案：優(yōu)勢(shì)：①燃料適應(yīng)性廣（H?、CH?、NH?、生物氣）；②高溫余熱可驅(qū)動(dòng)吸收式制冷或熱水，綜合能效>85%；③無(wú)需貴金屬，成本潛力低；④靜音無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，適合樓宇級(jí)分布式。衰減控制策略：a.電解質(zhì)：采用Gd/Cu共摻雜Ce??Gd??O?δ（GDC）緩沖層，阻止NiYSZ陽(yáng)極與La??Sr??MnO?（LSM）陰極互擴(kuò)散，抑制鋯酸鍶絕緣相。b.陰極：引入Pr??Sr??Fe??Co??O?δ（PSFC）納米浸漬層，降低極化阻抗，減緩Cr中毒揮發(fā)。c.密封玻璃：開(kāi)發(fā)BaOAl?O?B?O?SiO?系微晶玻璃，熱膨脹系數(shù)匹配10.5×10??K?1，800℃下粘度維持>10?Pa·s，避免漏氣導(dǎo)致氧化還原循環(huán)。23.畫(huà)出光伏PEM電解儲(chǔ)氫燃料電池聯(lián)供系統(tǒng)能量流圖，并計(jì)算：在拉薩（DNI2000kWhm?2a?1）建設(shè)1MW光伏，光伏效率22%，電解效率65%（HHV），燃料電池電效率55%，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)1800h，問(wèn)年凈輸出電量多少M(fèi)Wh？答案：能量流：太陽(yáng)能→DC光伏→DC電解→H?儲(chǔ)罐→FC→AC電網(wǎng)。計(jì)算：年輸入太陽(yáng)能=1MW×1800h=1800MWh光伏輸出=1800×0.22=396MWh電解產(chǎn)氫能=396×0.65=257.4MWh(HHV)FC輸出電=257.4×0.55=141.6MWh年凈輸出=141.6MWh解析：儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)無(wú)損耗假設(shè)，實(shí)際需考慮壓縮/液化能耗約10–15%，則凈輸出降至~125MWh。24.描述生物質(zhì)水熱液化（HTL）制備生物原油的機(jī)理路徑，并給出提高生物原油安定性的兩條后處理路線(xiàn)。答案：機(jī)理：200–350℃、15–25MPa水中，生物質(zhì)組分經(jīng)歷：①水解：半纖維素→寡糖→單糖；②脫水/縮合：葡萄糖→5HMF→乙酰丙酸；③蛋白質(zhì)氨基酸Strecker降解→吲哚、吡啶；④脂質(zhì)水解→脂肪酸→酮化→長(zhǎng)鏈烷烴；⑤木質(zhì)素βO4斷裂→酚類(lèi)；⑥自由基重組→稠環(huán)芳烴→微球體（biocrude）。安定性提升：a.加氫脫氧（HDO）：在350℃、5MPaH?、NiMo/Al?O?固定床，加氫飽和烯烴、脫羧，氧含量<5%，儲(chǔ)存穩(wěn)定性指標(biāo)（TAN）<2mgKOH/g。b.乳化：將HTL原油與柴油按3:7混合，添加5%Span80+Tween80復(fù)合乳化劑，40℃下穩(wěn)定>30天，無(wú)需深度加氫即可用于鍋爐。25.給出CO?電催化還原流動(dòng)電解器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并解釋陰極GDE“水淹”與“干涸”的成因與調(diào)控手段。答案：設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：①局部pH>12抑制析氫，但<14防止碳酸鹽沉淀；②陰極Cu催化劑厚度<5μm，孔徑50–200nm，保證CO覆蓋度>0.6；③陽(yáng)極采用Ir/Ti多孔傳輸層，水氧化過(guò)電位<200mV；④膜選用Aemion37，面電阻<0.1Ωcm2，CO?2?滲透率<5mAcm?2；⑤單池壓降<0.5V@200mAcm?2，系統(tǒng)熱管理<60℃。水淹：陰極水蒸氣冷凝堵塞微孔，CO?擴(kuò)散受限，乙烯分電流驟降；調(diào)控：提高操作溫度至55℃，GDL加PTFE20%，背壓0.1MPa。干涸：高電流密度>500mAcm?2，膜失水導(dǎo)致質(zhì)子導(dǎo)電下降；調(diào)控：陽(yáng)極側(cè)增濕60°C露點(diǎn)，膜預(yù)溶脹，采用親水SiO?納米顆粒保水。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）26.某煤制天然氣（SNG）裝置處理干燥無(wú)灰基煤100th?1，元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)：C80%、H5%、O10%、N1%、S0.5%、灰分3.5%。氣化采用氧氣蒸汽，合成氣組成（干基）：CO30%、H?40%、CO?20%、CH?8%、N?2%。求：(1)理論需氧量（kmolh?1）；(2)若甲烷化采用CO+3H?→CH?+H?O，且CO轉(zhuǎn)化率99%，求甲烷化后CH?產(chǎn)量（kmolh?1）。答案：(1)碳平衡：煤中C=100×0.8/12=6.67kmolh?1設(shè)合成氣干流率Gkmolh?1，則0.3G+0.2G+0.08G=6.67→G=12.34kmolh?1氧平衡：煤中O=100×0.1/16=0.625kmolh?1合成氣中O=0.3G+2×0.2G=0.7G=8.64kmolh?1需氧量=(8.640.625)/2=4.01kmolh?1(2)入口CO=0.3×12.34=3.70kmolh?1轉(zhuǎn)化CO=3.70×0.99=3.66kmolh?1生成CH?=3.66kmolh?1原有CH?=0.08×12.34=0.99kmolh?1總CH?=3.66+0.99=4.65kmolh?1解析：氧平衡忽略灰分?jǐn)y帶，假設(shè)S轉(zhuǎn)化為H?S脫除；甲烷化放熱由循環(huán)氣冷卻。27.一座槽式太陽(yáng)能集熱場(chǎng)導(dǎo)熱油（VP1）進(jìn)口293℃、出口393℃，質(zhì)量流量600kgs?1，比熱2.3kJkg?1K?1。若驅(qū)動(dòng)一個(gè)再沸器溫度為220℃的氨吸收式制冷（COP=0.7），求制冷量（MW）。若改用朗肯循環(huán)發(fā)電，透平進(jìn)口390℃、背壓0.08bar，等熵效率85%，求發(fā)電功率（MW）。答案：集熱功率Q=600×2.3×100=138MW制冷：COP=0.7，Q_cold=0.7×138=96.6MW發(fā)電：查表0.08bar飽和溫度41.5℃，平均放熱溫度315K；熱源平均溫度(390+293)/2=341.5℃=614.5K卡諾效率η_c=1315/614.5=0.487朗肯實(shí)際η=0.85×0.487×0.9（回?zé)嵝拚?.37發(fā)電功率P=138×0.37=51.1MW解析：氨水吸收制冷可利用低溫?zé)?；朗肯循環(huán)需考慮透平濕汽修正，0.9為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。五、綜合設(shè)計(jì)題（20分）28.為某離岸風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)一座“綠氨綠甲醇”柔性多聯(lián)產(chǎn)平臺(tái)，風(fēng)場(chǎng)裝機(jī)300MW，年容量因子50%，要求：①當(dāng)電價(jià)>0.4元kWh?1時(shí)，全部發(fā)電上網(wǎng)；②當(dāng)電價(jià)≤0.4元kWh?1時(shí)，就地制氫并合成氨或甲醇，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化；③氨/甲醇可切換，儲(chǔ)罐容量各5萬(wàn)噸；④平臺(tái)離岸50km，空間受限，需模塊化。任務(wù)：a.給出系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖（文字描述即可）；b.計(jì)算年制氫量（t），并確定合成氨與甲醇切換的臨界電價(jià)；c.提出三條降低海洋腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的措施；d.給出碳足跡核算邊界與結(jié)果（kgCO?et?1NH?）。答案：a.流程：海上風(fēng)電→33kV集電→海上升壓站→220kV→半潛平臺(tái)→整流→PEM電解（100MW模塊×2）→H?壓縮30bar→緩沖罐→N?來(lái)自空分（深冷，規(guī)模500td?1）→HaberBosch（NH?，60bar，400℃）→液氨儲(chǔ)罐；或CO?來(lái)自船運(yùn)生物質(zhì)CO?（食品級(jí)）→CO?加氫（Cu/Zn/Al，50bar，250℃）→粗