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基于化学链燃烧的煤基SNG动力联产系统研究

【摘要】:煤炭资源作为一种主要的能源,在未来几十年内是不可替代的。基于我国能源特点“富煤、贫油、少气”,以煤制天然气(SNG)被认为是最重要的清洁煤炭技术之一。近年来,随着天然气需求量和价格的不断上涨,煤制天然气项目正受到政策制定者的高度重视。煤制天然气具有如下优点:确保能源安全、减少天然气进口、稳定燃料价格以及扩大多样化能源选择。但高能耗、高碳排放量以及系统低能效是阻碍煤制天然气工业快速发展的主要原因。为了解决能源利用与环境协调难相容的难题、解决传统煤制天然气系统能量利用难点以及解决CO2捕集能耗高、成本大等难题。本学位论文结合化学链技术优势,提出基于化学链燃烧的煤基天然气动力联产系统,将CLC技术整合到传统煤基SNG动力联产系统中,通过燃烧来自甲烷化反应装置中未反应气体实现零能耗碳捕集,这种设计不仅对环境友好还有助于提高能源利用效率,对保障我国能源供给安全,实现社会经济的健康发展具有重要意义。化学链燃烧被认为是减少温室气体效应最具前景的二氧化碳捕集技术。本文通过利用Ni基、Cu基以及钛铁矿三种最具发展潜力的氧载体,探究以气体燃料(CH4)为进料的CLC动力系统热力学性能以及经济成本。发现基于Ni基CLC动力系统的净电效率最高,其数值约为50.14%,钛铁矿动力系统次之,约为48.02%,而Cu基系统净电效率最差,只有45.59%。相比之下,Ni基动力系统二氧化碳的排放量约为1.44kg/MWh,远低于同样具有碳捕集和存储能力的天然气联合循环发电系统(NGCC+CC)碳排放量(40.10kg/MWh)。经济方面,Ni基动力系统显示出了较优的经济效益,其单位电力生产成本低于钛铁矿方案约0.32 €/Wh,低于Cu基方案约13.06€/MWh,只有71.66€/MWh。此外,天然气价格对电力生产成本影响较大,当燃气价格由4€/GJ上升至8€/GJ时,三种不同氧载体CLC动力系统(Ni基、Cu基以及钛铁矿CLC动力系统)发电成本分别上升了 49.73%、48.60%和56.30%。最后,从经济方面对比了 NGCC系统与CLC动力系统的发电成本,进一步阐述了后者的经济可行性。围绕煤制天然气工艺,通过将CLC技术整合到煤制天然气动力系统中,实现高效率、低能耗捕集CO2,并对关键参数进行灵敏度分析和优化,探究了联产系统热力性能、节能机理以及经济的可行性。结果表明,O/C对合成气产率影响较大,而高S/C和Ru将导致用于驱动涡轮机发电的蒸汽量减少,不利于系统性能提升。基于本文系统,推荐O/C、S/C以及Ru取值分别为0.4、0.8和3,在最佳取值条件下,系统效率、?效率以及燃料能源节约率分别是58.84%、56.59%和10.82%。与较为新型的联产系统相比,本系统能源效率提高了 2.83%;与单产系统(SNG+CC、IGCC以及IGCC+CC)相比,其能源效率分别提高了 2.5%、15%和26%,并实现了 CO2的零排放。通过经济成本分析,进一步论证了本系统的经济可行性。此外,还分析了不同氧载体以及原料煤对系统性能提升的影响,由于捕集CO2物流中CO含量略高于CO2运输存储标准,需经过进一步处理。

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