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《北京化工大学》 2009年
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太阳能热燃料的能量转换原理与实验研究

侯智  
【摘要】:构建化石燃料高效利用方式和开发太阳能、生物质能等可再生能源,是实现能源与环境可持续发展和我国经济持续健康发展的重要途径。 本文依托国家自然科学基金重点资助项目,着眼于促进化石燃料高效利用和开拓太阳能应用,旨在基于能量品质分析方法,试图阐明化石燃料能量梯级释放的热力学机理和太阳能燃料能量转换的热力学原理,以太阳能甲醇催化分解反应系统为例,开展计算机模拟和实验验证研究。主要内容如下: 首先,基于能质系数建立了物质能量品质分析方法,以甲烷及甲醇的直接燃烧和经中间燃料再燃烧为例,研究化石燃料能量释放过程,提出化石燃料能量梯级释放机理和太阳能燃料的能量转换原理。 基于(火用)基准态,给出物质标准焓的计算方法,建立物质能量品质定量分析的α-H-ε图式分析方法。基于该方法,以甲烷直接燃烧、甲烷水蒸汽转化后再燃烧和甲烷CO_2转化后再燃烧三种路径为例,研究化石燃料能量释放过程。发现甲烷水蒸汽和CO_2转化得到的中间燃料的做功能力分别比甲烷增加21%和35%,其燃烧过程的能质系数减小值(0.423,0.323)明显小于甲烷燃烧过程(0.514),并且经中间燃料能量释放过程的(火用)损失小于甲烷直接能量释放过程。据此提出化石燃料能量梯级释放的热力学机理:系统内或系统外低品位热驱动的中间燃料合成过程形成燃料做功能力增加;中间燃料燃烧过程和整个用能过程的不可逆性小。当低品位热为太阳能时,中间燃料就是太阳能燃料。基于上述机理,阐明太阳能燃料的能量转换原理,即太阳能燃料燃烧过程和整个用能过程不可行性比化石燃料小,并且做功能力增加。 其次,以太阳能甲醇催化分解为例,在非等温抛物槽太阳能吸收/反应器中开展合成太阳能燃料的计算机模拟和实验研究,演示和验证太阳能燃料的能量转换原理。 基于DSG集热器模型和BASF K3-110催化剂动力学模型,建立非等温抛物槽式太阳能甲醇催化分解反应系统的计算机分析程序。模拟结果表明,在适宜进料下甲醇转化率可以达到100%;抛物槽式太阳能集热器提供大约385~875 K的太阳热能,能够满足反应的温度要求。研究发现:(1)醇直接进入反应器更有利太阳热能的能量转化;(2)在环境条件确定时甲醇催化分解反应基本维持在某一温度进行;(3)系统效率随着太阳辐照强度的增大而小幅增加,基本维持在55%~58%之间。 在实验层面研究太阳能集热过程与甲醇催化分解过程耦合,研制了5kW抛物槽式太阳能甲醇催化分解实验平台,并开展实验研究。研究发现集热器可以为吸收/反应器提供353~573 K的太阳热能。在辐照280~750W·m~(-2),甲醇进料量为0.9~4.5 dm~3·h~(-1)条件下,甲醇转化率可以达到0.50~0.95。实验分析结果表明,太阳能热化学转化率可达到30%~60%,(火用)再生率可达7%~23%。 最后,在开展加压合成生物柴油和真空蒸馏实验基础上,拓展太阳能燃料研究,提出了一种太阳能公用工程驱动的生物柴油生产工艺。 以粗菜籽油和粗甲醇为原料,通过加压酯交换法合成生物柴油,并采用真空蒸馏精制产品。采用Aspen Plus软件分别模拟化石燃料公用工程和太阳能公用工程驱动的年产8000 t的生物柴油生产工艺。研究表明,通过引入太阳能,每年可以减少798 t标煤消耗,并减少排放2926 t CO_2,新工艺产品可再生百分比达到99.9%。 本文的工作,发展了评价能量品质的热力学方法,探索了化石燃料能量梯级释放的机理,以甲醇为例,验证了太阳能燃料的意义和可行性。
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