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《浙江大学》 2013年
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生物质化学链气化制氢工厂的模拟与优化

赵亮  
【摘要】:生物质是一种具有良好减排效益、社会效益和经济效益的可再生能源;氢能既是一种需求量很大的工业原料,也是一种高效、清洁的二次能源。以生物质为原料的化学链气化制氢技术能够在获得富氢气体的同时,还可以富集C02,是一种高效洁净的生物质能转化方式。 由于生物质的来源及其物理化学特性的特殊性,生物质的收集、运输等物流过程以及能量转化过程对生物质的利用具有重大影响。本文针对生物质化学链气化制氢工厂(以下简称“工厂”),运用数学建模、离散事件建模软件EXTEND SIM和化工流程模拟工具ASPEN PLUS等方式,建立了工厂的原料收集、运输和工厂内生物质转化过程模型,从而对工厂进行全面的模拟,并对燃料物流和厂内化工过程进行了优化。 首先,物流过程主要由生物质产地运输至收购站(储料站)的初级物流模型和收购站运输至工厂的次级物流模型组成。初级物流模型在前人工作的基础上,通过建立“产地-收购站-工厂”和“产地-工厂”并存的物流模式,对每个收购站和工厂储料站构建正方形收集子区域的方法概算出初级物流过程的收集成本和过程碳排放。次级物流和生物质厂内物流运用EXTEND SIM软件对货车和设备进行离散事件仿真模拟,考虑了物流过程中不同生物质含水率的不同处理,以车次平均耗时、设备利用率和平均等待时间等参数考察物流状态,计算出次级物流过程的成本消耗和过程碳排放。本文还对制氢工厂的原料石灰石和附属产物灰渣的物流过程进行了计算。 其次,运用ASPEN PLUS软件对工厂进行了化工过程模拟。依据生物质化学链气化过程的特点,在快速热解试验研究的基础上建立了热解过程模型,并基于Gibbs自由能最小化原理模拟气化炉及燃烧炉的反应过程,同时依据系统热平衡要求,确定在气化炉和燃烧炉中的分级转化份额。另外,基于ASPEN软件建立了包括空分、燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机等在内的其它过程的计算模型。 最后利用所建物流和过程模型对2300t/d生物质处理量的化学链气化制氢案例工厂作了模拟与分析。对货车、取样台、称重站和卸载机等的数量变化对物流性能的影响进行了敏感性分析。针对生物质物流工作具有季节性的特点,得到了农闲时的最优物流成本和碳排放以及农忙时的最大收购量。考察了压力、温度、[Ca]/[C]和[H20]/[C]摩尔比对氢气浓度、产量、碳酸化反应率、碳酸钙煅烧率和双炉联动的影响,并优化了系统及其参数条件。优化后的生物质制氢工厂氢气产量为210t/d,供电量37.5MW,系统CO2排放量161.2t/h,制氢效率为70.3%,理论能量转化效率为74.9%。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TK6;TQ116.2;TQ110.8

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