部分煤气化与CO_2捕获的能源动力系统研究

【摘要】： 能源、环境与经济的相容协调发展是21世纪能源科学研究的重要发展方向,以CO_2为主的温室气体引起的全球气候变暖是能源环境问题中的焦点和难点。煤基能源动力系统中控制CO_2已成为能源领域的重要研究课题,清洁能源载体氢气的制取也是能源系统发展的前沿课题。本文依托国家自然科学基金和国家高科技研究计划等重要科研项目,在关键过程机理、系统集成和技术路线的多层面上,开展了煤气化系统与双燃料重整系统的集成理论研究,提出了控制CO_2的部分煤气化系统和双燃料互补的氢电联产系统,预测了新系统的经济环境效益,并探索了适合中国的能源技术路线。 为开拓高效环保的洁净煤发电系统,开展了煤气化系统中燃料转化过程整合机理以及CO_2分离一体化机理的研究。建立了煤气化、合成气燃烧和半焦燃烧过程整合的化学能与物理能梯级利用关系式;揭示组分和品位对燃料转化过程中能量匹配的影响;发现存在最佳的气化炉碳转化率,使燃料转化过程不可逆损失最小;分析燃料转化过程与CO_2分离过程的整合关系,揭示纯氧燃烧分离CO_2的部分煤气化系统实现了燃料转化过程与CO_2分离过程一体化。 针对IGCC系统投资成本高的科技难题,本研究从“组分对口、分级转化”思路出发,基于燃料化学能与物理能综合梯级利用原理以及CO_2分离一体化的整合机理,提出控制CO_2的部分煤气化联合循环系统;揭示系统性能曲线簇具有包络线的特性规律,发现系统热效率在变量可行域内具有最佳值的特性。从热力性能、经济性能和环保性能等多方面与IGCC系统进行比较分析,指明新系统具有高发电效率、低投资成本和低能耗分离CO_2的优势。 面临我国“煤多气少”的能源特点,以及针对传统天然气重整过程消耗大量优质燃料的问题,本研究提出了煤与天然气互补制氢联产系统。基于能的品位概念,建立煤与天然气互补的能量转化过程品位关系式;揭示双燃料化学能释放过程中能的梯级利用特性;采用图像(火用)分析方法,并通过与传统制氢系统比较,阐明煤与天然气互补制氢联产系统热力性能提高的根本原因。 结合中国能源可持续发展战略,采用MESSAGE模型,对本文提出的部分煤气化系统和双燃料互补系统在中国电力和交通两大耗能领域的发展进行情景分析。通过对电力行业中控制CO_2的不同技术路线的发展情景比较,指出发展诸如本文提出的洁净煤发电系统能满足能源、经济、环境的协调发展,是适合中国的先进洁净煤发电技术路线。另外,交通燃料的剧增是导致中国石油对外依存度越来越大的一个主要原因。本研究以双燃料互补系统制甲醇代替交通燃料作为典型案例,预测新型交通燃料替代技术在中国未来交通领域发展情景,指出发展经济可行的煤代油技术路线是非常必要和迫切的。 【关键词】：能源系统 部分煤气化 CO_2捕获 双燃料重整 制氢 集成机理 技术路线
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-33
• 1.1 课题背景与意义12-14
• 1.2 洁净煤发电系统技术的发展与科学问题14-25
• 1.2.1 整体煤气化联合循环系统15-16
• 1.2.2 增压流化床联合循环系统16-19
• 1.2.3 新型的部分煤气化联合循环系统19-24
• 1.2.4 洁净煤发电系统发展的科学问题24-25
• 1.3 氢能的发展与科学技术问题25-30
• 1.3.1 氢能的发展25-27
• 1.3.2 化石燃料制氢27-30
• 1.3.3 化石燃料制氢发展的科技问题30
• 1.4 本文研究内容和拟解决的问题30-33
• 第二章 煤气化系统中燃料转化过程及与CO_2分离过程的整合机理33-73
• 2.1 概述33-34
• 2.2 燃料化学能转化过程的能量转化与梯级利用机理34-54
• 2.2.1 煤气化过程(火用)损模型和能量转化机理34-40
• 2.2.2 合成气燃烧过程(火用)损模型和能量梯级利用机理40-49
• 2.2.3 半焦燃烧过程(火用)损模型和能量梯级利用机理49-54
• 2.3 煤气化系统中燃料转化过程的整合机理54-59
• 2.3.1 燃料转化过程的整体(火用)损模型54-55
• 2.3.2 燃料转化过程的(火用)损特性和整合机理55-59
• 2.4 煤气化系统中 CO_2分离一体化机理59-71
• 2.4.1 不同途径分离 CO_2的理论分离功59-63
• 2.4.2 煤气化系统中 CO_2分离一体化机理63-71
• 2.5 本章小结71-73
• 第三章 回收 CO_2的部分煤气化联合循环发电系统73-97
• 3.1 部分煤气化系统的设计流程与集成思路73-77
• 3.1.1 系统流程概述73-75
• 3.1.2 系统集成思路与原理75-77
• 3.2 部分煤气化系统热力性能77-83
• 3.2.1 系统热力学特点77-79
• 3.2.2 系统热力性能与特性规律79-83
• 3.3 部分煤气化系统与IGCC系统的(火用)分析与比较83-93
• 3.3.1 两系统的(火用)平衡分析83-84
• 3.3.2 两系统的图像(火用)EUD分析比较84-93
• 3.4 部分煤气化系统的环保性能和经济性能93-96
• 3.4.1 系统环保性能93-95
• 3.4.2 系统的经济性能95-96
• 3.5 本章小结96-97
• 第四章 天然气/煤双燃料互补氢电联产系统97-124
• 4.1 概述97-98
• 4.2 双燃料互补氢电联产系统的概念性设计98-105
• 4.2.1 双燃料互补概念性设计方法98-100
• 4.2.2 双燃料互补利用机理100-103
• 4.2.3 煤和天然气制氢系统关键过程分析103-105
• 4.3 双燃料互补氢电联产系统流程与热力性能105-113
• 4.3.1 系统流程描述105-108
• 4.3.2 系统热力性能及与其它系统比较108-113
• 4.4 双燃料互补氢电联产系统分析113-121
• 4.4.1 系统平衡分析113
• 4.4.2 系统的图像分析113-121
• 4.5 煤/天然气双燃料互补系统的潜力121-122
• 4.6 本章小结122-124
• 第五章 新系统在中国的发展情景124-156
• 5.1 概述124-125
• 5.2 能源供应系统优化模型—MEASSAGE模型125-128
• 5.3 中国能源系统的发展现状及其问题128-131
• 5.3.1 能源系统发展现状128-130
• 5.3.2 能源系统存在的弊端130-131
• 5.4 中国电力领域能源供应系统的发展情景131-146
• 5.4.1 模型参数设定与情景假定131-132
• 5.4.2 不同情景的电力系统能源供应系统发展规划132-143
• 5.4.3 不同控制 CO_2排放的发电技术路线比较143-146
• 5.5 中国交通领域能源供应系统的发展情景146-154
• 5.5.1 模型参数设定与情景假定146-148
• 5.5.2 不同情景的交通业能源供应系统发展规划148-154
• 5.6 本章小结154-156
• 第六章 结论156-160
• 6.1 论文的主要成果156-158
• 6.2 论文研究的主要创新之处158-160
• 主要符号表160-161
• 参考文献161-170
• 攻读博士学位期间发表论文目录170-171
• 博士学位论文科研项目背景171-172
• 附录说明172-173
• 无补燃余热锅炉型联合循环性能简捷估算法173-184
• IGCC系统有无约束设计优化概念与方法184-192
• 致谢192

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