太阳能热燃料的能量转换原理与实验研究

【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。 【关键词】：太阳能燃料 甲醇分解 能量品质 能量转换
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TK51
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-22
• 第一章 绪论22-34
• 1.1 研究背景22-23
• 1.2 化石燃料的高效利用23-25
• 1.2.1 化石燃料的能量直接释放23
• 1.2.2 化石燃料的能量"转化"释放与热量利用23-24
• 1.2.3 热力学原理研究24-25
• 1.3 太阳能热利用与太阳能燃料25-29
• 1.3.1 太阳能集热器概况26-27
• 1.3.2 太阳能燃料与太阳能热化学反应27-29
• 1.4 太阳热化学利用与甲醇催化分解29-31
• 1.4.1 太阳热能与甲醇催化分解反应结合的探索29
• 1.4.2 甲醇催化分解基础研究29-31
• 1.5 生物柴油合成及工艺31-32
• 1.6 本文研究内容32-34
• 第二章 太阳能燃料的热力学原理34-46
• 2.1 燃料与能量品质的热力学分析方法34-36
• 2.1.1 能量品质34
• 2.1.2 标准焓的定义和计算方法34-35
• 2.1.3 能质系数与标准能质系数35
• 2.1.4 α-H-ε图35-36
• 2.2 甲烷能量释放方式的比较和中间燃料36-38
• 2.2.1 甲烷燃烧路径36-37
• 2.2.2 甲烷燃烧方式的α-H-ε图描述37-38
• 2.3 化石燃料能量梯级释放的热力学机理38-41
• 2.4 太阳能燃料41-43
• 2.4.1 太阳热能和燃料的能量特征分析41
• 2.4.2 太阳能燃料的能量转换原理41-42
• 2.4.3 生产太阳能燃料的启示性准则42-43
• 2.4.4 太阳能燃料的的评价方法43
• 2.5 甲醇能量释放方式比较与太阳能燃料43-45
• 2.5.1 甲醇燃烧方式的α-H-ε图描述43-45
• 2.5.2 甲醇能量释放特征分析与太阳能燃料45
• 2.6 小结45-46
• 第三章 非等温的太阳能甲醇催化分解反应系统的模拟分析46-68
• 3.1 水和甲酸甲酯参与的甲醇催化分解反应体系的热力学分析46-54
• 3.1.1 热力学模型与反应系统的模拟46-49
• 3.1.2 甲醇催化分解反应体系的平衡限度49-54
• 3.2 非等温的太阳能甲醇催化分解反应器的计算机模拟54-59
• 3.2.1 抛物槽太阳能集热器模型与甲醇催化分解动力学模型54-57
• 3.2.2 非等温的太阳能甲醇催化分解反应器模型57-59
• 3.3 非等温的太阳能甲醇催化分解系统的特征分析59-66
• 3.3.1 反应器侧影响的特征分析59-64
• 3.3.2 集热器侧影响的特征分析64-66
• 3.4 小结66-68
• 第四章 抛物槽式太阳能甲醇催化分解反应系统的实验研究68-85
• 4.1 太阳能和甲醇催化分解反应的耦合68-71
• 4.1.1 太阳能集热器与吸热化学反应的匹配68-69
• 4.1.2 太阳能吸收器与反应器的整合69-70
• 4.1.3 太阳能甲醇催化分解反应系统的实验流程70-71
• 4.2 太阳能甲醇催化分解反应系统的实验装置71-77
• 4.2.1 吸收/反应器71-72
• 4.2.2 甲醇催化分解催化剂72-73
• 4.2.3 实验台系统73-75
• 4.2.4 数据采集与控制系统75-76
• 4.2.5 产物组成分析76-77
• 4.3 太阳能甲醇催化分解反应系统的反应及能量转化特征77-83
• 4.3.1 反应器温度分布特征77-78
• 4.3.2 进料量对反应及能量转化的影响78-79
• 4.3.3 太阳辐照强度对反应及能量转化的影响79-81
• 4.3.4 能量转化特征分析81-83
• 4.4 小结83-85
• 第五章 拓展研究:太阳能生物柴油生产工艺85-98
• 5.1 概述85
• 5.2 生物柴油合成与分离实验85-91
• 5.2.1 合成实验86-87
• 5.2.2 动力学模型87-89
• 5.2.3 真空蒸馏馏实验89-90
• 5.2.4 实验结果讨论90-91
• 5.3 太阳能生物柴油生产工艺模拟91-97
• 5.3.1 太阳能公用工程91-92
• 5.3.2 生物柴油工艺92-94
• 5.3.3 采用太阳能公用工程的生物柴油新工艺94-95
• 5.3.4 模拟结果与分析95-97
• 5.4 小结97-98
• 第六章 结论98-100
• 参考文献100-109
• 附录109-117
• 附录1 元素和纯物质的基础热力学数据109-115
• 附录2 生物柴油工艺中主要物流参数115-117
• 致谢117-118
• 研究成果及发表的学术论文118-119
• 作者和导师简介119-120
• 博士研究生学位论文答辩委员会决议书120-121

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

甲醇合成/分解催化剂的制备和性能评价    郭强;

甲醇分解制氢催化剂性能评价方法初探    牛成德;

基于太阳能甲醇分解的冷热电联产系统    郭栋;隋军;金红光;

太阳能甲醇分解吸收-反应器研制与实验研究    隋军;金红光;郑丹星;侯智;王志峰;

不同方法制备ZnO催化剂的活性比较    郑丹,董瑾,郭强,刘仪,黄辉

甲醇制氢的燃料电池技术及应用    蒋元力,林美淑,金东显

甲酸甲酯和水共存下甲醇分解制燃气的化学平衡    侯智;郑丹星;金红光;

产业简介    

CuZnZrAlO催化剂上甲醇蒸汽重整反应动力学    董新法;李永峰;林维明;

塑料软容器的循环使用    李小荣

La对Pd/Ce_(0.8)Zr_(0.2)O_2甲醇分解催化剂性能的影响    王海容;赵明;龚茂初;陈耀强;

太阳能甲醇分解系统研究    隋军;金红光;王志峰;郑丹星;

槽式太阳能甲醇分解反应器的数值模拟    侯智;郑丹星;金红光;隋军;

甲醇或氨作为燃料电池氢燃料的载体    张鸿斌;周朝晖;武小满;林国栋;

三氯化磷辅助下缬氨酸自组装成肽反应的ESI-MS研究    赵文杰;李红;曹书霞;汤丽娜;卢奎;赵玉芬;

三氯氧磷辅助下缬氨酸的自组装成肽反应    李红;赵文杰;曹书霞;罗鹏;卢奎;赵玉芬;

燃料电池撰写汽车神话    胡奇

燃料电池车 离现实越来越近    萧雷

制氢的本事越来越大    通讯员 李振国

太阳能热燃料的能量转换原理与实验研究    侯智

甲醇催化氧化重整反应制氢的研究    陈兵

电晕放电甲醇分解制氢及其模拟研究    李慧青

太阳能固体吸附式制冰系统的优化与实验研究    龙新峰

Pt/TiO_2界面作用机理及其对甲醇分解催化性能的理论研究    韩优

醇选择性氧化与甲醇制氢反应新结构催化剂的制备、表征及应用    张晨曦

铜一铈固溶体催化剂的制备、表征及甲醇氧化重整制氢的研究    单文娟

中低温太阳能与甲醇热化学互补的冷热电联产系统    郭栋

甲醇重整内燃机复合循环    张国强

Zn-Cr催化剂上甲醇氧化重整制氢研究    曹卫强

水—甲醇超临界混合介质分解PBT的研究    朱岩

甲醇制氢反应器的模拟研究    魏昆

Au-Pd双金属催化剂载体及其甲醇制氢性能的研究    王建鑫

催化精馏用填料型固体碱催化剂的制备研究    邹丹