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耦合化学间冷的化学链燃烧与甲醇重整氢电联产系统研究

【摘要】: 解决能源利用与环境相容协调的难题是二十一世纪能源科学研究的重要课题。探索新的能量转化利用机理和开拓新的热力循环是以及低能耗控制温室气体(主要是CO_2)等是当前乃至将来能源和环境问题中最受关注的热点和难点。本学位论文依托国家自然科学基金等科研任务,在工程热物理与化工学科交叉层面上,对零能耗分离CO_2的化学链燃烧系统进行了深入研究,提出了与化学间冷相耦合的化学链燃烧动力系统,并对我国未来的CO_2减排情景进行了分析,指出了适合我国未来CO_2减排的技术路线。 基于热力学体系的一般(火用)函数和吉布斯自由焓函数以及品位的概念,开展了化学链燃烧中燃料化学能梯级利用新原理的研究,建立了化学链燃烧中还原反应和氧化反应过程中以及两个过程之间的品位关系式;揭示了过程与过程之间的相互作用规律;阐明了化学链燃烧中能量与品位的合理匹配是系统集成关键。并以甲醇燃料为例,分析了化学链燃烧中清洁合成燃料间接燃烧的能量释放过程中化学能损失减小和低温热品位提升的科学本质与相关规律,验证了化学链燃烧中的能量释放新机理。 基于甲醇化学能能量释放新机理和化学能与物理能综合梯级利用原则,提出了实现甲醇化学链燃烧与低温余热综合梯级利用的化学间冷化学链热力循环。从能量平衡和(火用)平衡两个方面对系统进行了分析,同时对系统关键过程采用了图像(火用)分析方法,揭示化学间冷化学链燃烧中化学能的梯级利用本质;指出了系统性能提升的关键点。对系统的特性规律进行了研究,发现系统中存在着最佳间冷压比的现象;指明化学链燃烧具有高发电效率和零能耗分离CO_2的优势。 针对传统制氢过程能耗大的问题,根据“组分对口、分级转化”的系统集成原则,提出了利用中低温热能的甲醇重整制氢-发电联产系统。通过与传统制氢系统比较,并且采用EUD图像(火用)分析方法,探讨联产系统内部能量转换利用规律和制氢能耗降低的机理。在系统概念性设计基础上,研究了系统的特性规律和分析关键热力参数对系统性能的影响。阐明了甲醇重整制氢-发电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,采用能源供应与利用优化模型(MESSAGE),对本文提出的化学间冷化学链燃烧系统的发展进行情景分析,同时针对我国以煤为主的能源结构特点,以煤基多联产系统替代液体燃料,预测了新型清洁燃料替代技术在中国未来发展情景。对能源系统中不同控制CO_2的技术路线的情景进行了比较分析,结果表明仅仅依靠现有的CO_2减排技术并不能实现我国未来能源、经济、环境的协调发展,只有大力发展高效的新一代CO_2减排技术才是适合中国的CO_2减排技术路线,同时指出发展经济可行的煤代液体燃料的技术路线是非常必要的和迫切的。

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