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生物质与天然气基及其互补的多联产系统集成开拓研究

李洪强  
【摘要】: 化工、动力和环境等领域与学科的交叉已经成为当代能源科学发展的趋势。寻求资源、能源高效利用的有效途径与方法,逐步成为人类可持续发展的重要问题之一。本学位论文依托国家自然科学基金及973项目等科研任务,研究单一能源输入以及多能源互补的多联产系统中的若干问题。主要包含以天然气重整为案例分析化学能梯级利用在化学反应过程中的应用,以及基于此提出的新型多联产系统开拓研究两个层面。 从化学反应动力学结合化学热力学角度出发,建立了天然气重整过程所需要外界提供的时间能耗与反应进度之间的关系式;从吉布斯自由能前后变化角度出发,分析了重整过程吉布斯自由能的变化与反应进度之间的关系。计算与分析结果表明,当重整率比较高(>0.6)时,单位天然气重整所需要的能耗和时间大幅增加,而吉布斯自由能将大幅降低,这将会导致单位天然气的平均重整代价骤然增加。这种现象普遍存在于其它很多基元反应非零次方的化学反应过程,可以将适度反应潜在节能拓延其应用范围到其它化工生产领域以及动力领域,通过耦合化工与动力两个生产过程,可以突破传统化工系统追求单一产品转化率所带来的单位产品高能耗的弊端,实现燃料化学能、物理能的综合梯级利用。 研究提出天然气部分重整的甲醇动力串联型多联产系统。该系统的特点为:依据化学能梯级利用原则,该系统采用了天然气部分重整,降低单位合成气的生产能耗;根据“组分对口、分级转化”系统集成原则,将合成气中适合甲醇生产成分用于化工生产进行资源化利用,剩余成分作为动力系统燃料进行能量化利用。对此系统进行火用平衡分析表明系统的关键过程为重整过程和甲醇合成过程,并通过图像火用(EUD)分析揭示过程内部能量释放、交换以及蕴含的节能潜力。与分产系统进行性能比较,采用该多联产方式生产同样的甲醇和电力时,可以实现节能5-10个百分点。针对可再生能源中生物质能所特有的碳氢结构特点,提出了以生物质气化为龙头的甲醇动力串联型多联产系统。该系统将化工生产过程与热力过程有机结合起来,通过先资源化利用后能量化利用逐级释放生物质能,从而实现了生物质化学能、物理能的梯级利用。与生物质基甲醇分产与动力分产火用效率仅有44%和41%相比,该多联产系统通过调节未反应气的循环量,在输出化动比0.6-1.8之内,能够获得7%-10%的节能率以及44%-49%的系统火用效率。 根据天然气资源和生物质能源二者不同碳氢比例成分特点,提出了天然气与生物质互补的甲醇动力串联型多联产系统(包含两种方案)。在该多联产系统中将天然气—水蒸气部分重整造气和生物质气化造气结合起来,通过纯物理混合的方式实现了甲醇合成气的最佳碳氢配比,并利用适度反应潜在的节能优势耦合了甲醇生产与电力生产过程。不但实现了天然气和生物质的碳氢组分互补,还实现了合成气化学能的梯级利用。对该多联产系统进行性能分析表明,在甲醇合成气一次性通过系统中,天然气与生物质的输入比在0.5-8范围内变化时,系统能够获得8-10%的节能率;在未反应气采取部分循环时,系统能获得9.5%上的节能率。


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