化工—动力多联产系统节能机制与特性研究

【摘要】：煤基化工动力多联产是煤炭清洁、高效利用技术之一,通过煤基多联产系统制取替代燃料,对于缓解我国油、气紧张状况、保障我国能源供应安全也有重要意义。本学位论文从机理层面分析了多联产系统的基础单元——气化单元的(?)损失规律,研究了通过改变气化反应路径以减小气化反应过程(?)损失的可行性,并比较了生产甲醇、甲烷两种不同替代燃料的多联产系统性能差异、以及相对于各自单产系统的节能率差异等,进一步补充了多联产系统的集成优化原则。在机理层面,从气化反应过程中吉布斯自由能变化规律出发,研究了气化反应过程(?)损失随反应种类、温度、压力等因素的变化规律,并分析了传统的水煤浆气化工艺的炯损失构成,以及通过改变水煤浆浓度、氧煤比等来调节气化反应温度、从而对气化过程(?)损失造成的影响规律。结果表明,通过提高水煤浆浓度可以减小气化反应产生的(?)损失,从而提高气化反应过程的炯效率。为了比较煤制甲醇、煤制甲烷及电力多联产系统的性能差异,首先,传统的煤制甲醇、煤制甲烷单产系统进行了对比。结果表明,带精馏、驰放气不回收的煤制甲醇单产系统的(?)效率为48.7%,而煤制甲烷单产系统的(?)效率为56.6%,造成两种系统性能差异的因素主要有三点：合成的化工产品是否需要精馏,合成反应的温度及回收的热量,以及合成过程排放的驰放气是否回收利用。通过取消传统煤制甲醇单产系统的精馏单元、同时将驰放气用于补燃以回收其热值,煤制甲醇单产系统的(?)效率可以得到进一步提高。对于无调整、适度循环的煤制甲醇、煤制甲烷多联产系统,两种系统的能源利用效率、(?)效率以及相对于各自单产系统的相对节能率也进行了对比,并分析了增加CO2捕集单元后两种多联产系统的CO2捕集能耗差异。结果表明,醇电联产系统和煤制甲烷及动力多联产系统在各自的最佳循环倍率下的(?)效率分别为53.8%和60.9%,相对节能率分别为15.0%和14.2%；两种多联产系统实现系统节能的机理有所不同,煤制甲醇多联产系统通过对合成单元排出的驰放气进行补燃以回收其热量,可以在合成反应单元实现更佳的节能效果,而煤制甲烷多联产系统则通过取消合成气调整,节能效果主要来自于变换反应和净化单元。对于带CO2回收的两种多联产系统,由于煤制甲烷系统在合成反应之后捕集CO2,处理的气体量较少并且气体中C02的浓度较高,因此可以实现较低的CO2捕集能耗。通过利用CO2代替纯氧作为气化剂,可以改变气化反应路径,从而减小气化反应过程产生的(?)损失,并且可以取消空分单元,避免了传统空分制氧单元的巨大能耗,从而提高系统的能源利用效率和(?)效率。利用CO2作气化剂的新气化制甲醇系统与传统煤制甲醇系统的热力性能进行了对比,其系统总(?)效率分别为61.3%和48.7%,新气化制甲醇系统在气化反应过程的(?)损失有大幅减少,同时,新气化制甲醇系统可以回收利用CO2分离单元捕集的一部分CO2,进而实现更高的系统(?)效率。另外,为了验证新气化工艺的可行性,设计并完成了煤炭炼焦以及焦炭-二氧化碳气化反应实验,并分析了煤种、炼焦方式、气化条件等对于焦炭-二氧化碳气化反应动力学特性的影响规律。结果表明,实验考察的褐煤、长焰煤、烟煤等均适合作为气化煤原料用于新气化系统,炼焦方式对焦炭气化反应速率影响不大,气化反应采取1000℃的温度便能够保证气化反应的速率；另外,通过添加碱金属催化剂也可以有效加快气化反应速率。 【关键词】：煤基多联产 洁净煤 系统集成 焦炭-二氧化碳气化
【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】：2016
【分类号】：TQ53
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 课题研究背景及意义11-13
• 1.1.1 我国能源产业现状11-12
• 1.1.2 我国能源产业未来发展趋势12-13
• 1.2 国内外研究现状13-25
• 1.2.1 煤基化工-动力多联产系统研究动态13-17
• 1.2.2 煤基化工-动力多联产系统关键流程技术概述17-25
• 1.3 论文研究内容25-27
• 第2章 气化过程(?)损失分析27-43
• 2.1 概述27-28
• 2.2 化学反应过程(?)损失规律28-35
• 2.2.1 反应过程能的品位基本方程28-29
• 2.2.2 反应过程吉布斯自由能变化解析式29-30
• 2.2.3 气化反应过程吉布斯自由能变化影响因素分析30-35
• 2.3 气化过程(?)损失规律分析35-41
• 2.3.1 GE水煤浆气化技术35-38
• 2.3.2 SHELL煤粉气化技术38-40
• 2.3.3 气化过程EUD分析40-41
• 2.4 本章小结41-43
• 第3章 煤制甲醇、煤制甲烷单产系统对比43-59
• 3.1 概述43-50
• 3.1.1 研究背景43-44
• 3.1.2 煤制甲醇、煤制甲烷单产系统工艺流程简述44-49
• 3.1.3 系统性能评价指标49-50
• 3.2 系统热力性能分析50-57
• 3.2.1 系统能源利用效率50-54
• 3.2.2 系统(?)分析54-57
• 3.3 本章小结57-59
• 第4章 煤制甲醇、煤制甲烷多联产系统对比59-79
• 4.1 概述59-63
• 4.1.1 多联产概念的提出59
• 4.1.2 多联产系统结构59-61
• 4.1.3 煤制甲醇、煤制甲烷多联产系统工艺流程简述61-62
• 4.1.4 多联产系统评价准则62-63
• 4.2 系统热力性能分析63-73
• 4.2.1 系统能源利用效率63-65
• 4.2.2 多联产系统相对节能率65-67
• 4.2.3 系统(?)分析67-73
• 4.3 煤制甲醇、煤制甲烷多联产系统CO_2捕集特性分析73-78
• 4.3.1 带CO_2捕集单元的煤制甲醇、煤制甲烷多联产系统流程73-74
• 4.3.2 系统评价准则74-75
• 4.3.3 系统热力性能分析75-78
• 4.4 本章小结78-79
• 第5章 新气化制甲醇系统79-93
• 5.1 概述79-83
• 5.1.1 研究背景79-80
• 5.1.2 系统流程简述80-83
• 5.1.3 系统性能评价指标83
• 5.2 系统热力性能分析83-90
• 5.2.1 系统能源利用效率83-87
• 5.2.2 系统(?)分析87-90
• 5.3 本章小结90-93
• 第6章 二氧化碳-焦炭气化反应实验验证93-113
• 6.1 简介93-98
• 6.1.1 新气化系统简介93
• 6.1.2 实验方案93-98
• 6.2 实验数据结果及分析98-111
• 6.2.1 焦炭制备实验98-106
• 6.2.2 气化实验106-111
• 6.3 本章小结111-113
• 第7章 结论及主要创新点113-115
• 7.1 主要研究成果113-114
• 7.2 主要创新点114-115
• 参考文献115-121
• 攻读博士学位期间发表论文目录121-122
• 博士学位论文科研项目背景122-123
• 致谢123

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