天然气制乙炔工艺的氢能利用与多联产系统

【摘要】： 高效、多功能的多联产系统作为可持续发展能源利用技术,是缓解日益严重的资源、能源和环境等多方面的压力,提高能源利用率,建立资源节约型社会的重要手段。 本文依托国家自然科学基金重大研究计划资助,开展天然气基乙炔化工与动力系统集成整合原则和有效途径的研究,旨在揭示氢能转化对包含氢工艺的天然气基多联产系统的作用规律,提出相应的能量集成方法,开拓新颖氢燃料热力循环系统,以及天然气基乙炔与氢能动力有机整合的多联产系统。本文主要研究内容如下: 首先,研究了天然气基乙炔动力多联产系统能量集成的策略,并以逆变换反应这一关键过程研究为基础,提出了氢能间接发电的氢能利用途径。研究了逆变换反应中反应条件对氢气的转化率和吸收所需能量品位的影响规律。提出提高逆变换反应中CO_2与氢气的物质量比,不但可以降低逆变换反应热源的温度,吸收更多的低品位热,而且可以提高氢气的转化率,提高CO的生成量,从而提高系统的能量利用效率。因为在相同的条件下,CO气体比H_2气体燃烧时能够释放出更多的热量。相对于直接利用H_2的动力转化过程,这是间接转化与利用H_2的一种方法。研究认为有效转化和利用天然气基乙炔工艺副产的富氢合成气,是天然气基乙炔动力多联产系统创新的重要途径,也是核心的系统能量集成原则。 提出了一种新的图式热力学分析和集成工具,及其系统能量分析与集成的启示性准则。以氢作为关键化学品,关联氢与多联产系统目的化学品的转化速率以及过程的(火用)变,提出了流量—(火用)变图FED(Flowrate Exergy Diagram),并提出了使用FED进行含氢工艺的天然气基多联产系统能量分析与集成的一系列启示性准则。该方法直观、简明地描述复杂系统中氢或含氢化学品量改变所引起的热力学代价,便于指出能量转换的薄弱环节,提出工艺改进和系统能量集成的方法。 然后,以氢能直接动力转化与间接转化两种途径,开展了下述三个天然气基乙炔动力多联产系统创新: (1)天然气基乙炔工艺与燃料电池多联产系统(氢能直接动力转化)。基于对天然气部分氧化制乙炔工艺和天然气水蒸汽重整制H_2及燃料电池PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)工艺的FED分析和比较,提出了一个新颖的天然气基乙炔与PEMFC多联产系统。新系统将传统合成乙炔工艺中的副产H_2作为PEMFC的H_2源,通过水气变换反应提高H_2产率,并采用催化燃烧和余热锅炉系统回收PEMFC尾气余热。研究了该多联产系统的热力学性能,并利用图式分析工具FED,研究了多联产系统的的物质和能量转化规律,揭示出天然气基乙炔与PEMFC集成的多联产系统氢能转化与能量转换利用之间的集成整合。 (2)天然气基乙炔工艺与氢氧联合循环多联产系统(氢能直接动力转化)。基于对天然气水蒸汽重整制H_2及氢氧联合循环系统的分析研究,应用FED启示性准则和多联产系统集成方法,构思并设计了一种天然气基乙炔与氢氧联合循环多联产系统。研究了该多联产系统的能量转化特性和系统效率,利用FED研究了天然气基乙炔与氢氧联合循环多联产系统的氢能转化和能量集成作用。 (3)天然气基乙炔工艺与逆变换化学回热循环多联产系统(氢能间接动力转化)。构思了一种由氢气CO_3逆变换化学回热、余热制冷和进气冷却构成的新型氢能间接动力转化热力循环。研究了该循环的发电效率等能量转化特性和该循环的热力学性能及其影响参数,并考察了循环压比对系统循环的影响规律,说明新循环实现了氢能的间接高效利用。进而基于对该循环的分析和天然气基乙炔动力多联产的系统能量集成原则,构思并集成了一种新型的天然气基乙炔与逆变换化学回热动力多联产系统,并研究了该多联产系统的能量转化特性和系统能量转换效率。 【关键词】：多联产 乙炔 氢 系统能量集成 热力学分析
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TQ116.2
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-18
• 第一章 绪论18-35
• 1.1 研究背景与意义18-19
• 1.2 国内外研究进展19-33
• 1.2.1 天然气制乙炔工艺19-22
• 1.2.2 氢能与化学回热技术22-28
• 1.2.3 多联产系统28-31
• 1.2.4 图式热力学分析方法31-33
• 1.3 研究内容与目标33-35
• 第二章 多联产系统中氢能利用理论与方法的初步研究35-52
• 2.1 多联产系统与氢能利用35-38
• 2.1.1 多联产系统中的氢工艺35-36
• 2.1.2 多联产系统中的氢能利用策略36-38
• 2.2 逆变换反应与氢转换38-41
• 2.3 多联产系统氢工艺的能量集成41-51
• 2.3.1 热力学分析和能量集成的理论基础41-43
• 2.3.2 流量—(火用)变图(FED)43-48
• 2.3.3 能量集成的启示性准则48-49
• 2.3.4 FED图式分析法49-51
• 2.4 小结51-52
• 第三章 天然气基乙炔与燃料电池多联产系统52-80
• 3.1 天然气部分氧化法制乙炔工艺模拟及分析52-65
• 3.1.1 乙炔工艺流程53-55
• 3.1.2 乙炔工艺模拟55-56
• 3.1.3 模拟结果与分析56-65
• 3.2 大然气水蒸汽重整制 H_2与燃料电池工艺模拟及分析65-69
• 3.2.1 天然气水蒸汽重整制 H_2与燃料电池工艺的模拟65-68
• 3.2.2 天然气制氢和燃料电池系统的 FED分析68-69
• 3.3 天然气基乙炔与燃料电池多联产系统69-78
• 3.3.1 乙炔工艺与燃料电池工艺的能量集成69-70
• 3.3.2 多联产系统描述与特征70-73
• 3.3.3 模拟结果和分析73-76
• 3.3.4 多联产系统的FED的表述76-77
• 3.3.5 多联产系统与分产系统的比较77-78
• 3.4 小结78-80
• 第四章 天然气基乙炔与氢氧联合循环多联产系统80-92
• 4.1 氢氧联合循环系统模拟及分析80-84
• 4.1.1 氢氧联合循环系统的模拟80-83
• 4.1.2 氢氧联合循环系统的FED分析83-84
• 4.2 天然气基乙炔与氢氧联合循环多联产系统84-91
• 4.2.1 乙炔工艺与氢氧联合循环的能量集成84-85
• 4.2.2 多联产系统流程描述与特征85-86
• 4.2.3 模拟结果和分析86-89
• 4.2.4 多联产系统的FED的表述89
• 4.2.5 多联产系统与分产系统的比较89-91
• 4.3 小结91-92
• 第五章 天然气基乙炔与逆变换化学回热动力多联产系统92-108
• 5.1 逆变换化学回热热力循环92-101
• 5.1.1 新循环构思与流程描述93-94
• 5.1.2 新循环模拟94-95
• 5.1.3 模拟结果与分析95-98
• 5.1.4 新循环热力性能分析98-101
• 5.2 天然气基乙炔与逆变换化学回热多联产系统101-106
• 5.2.1 多联产系统流程描述与特征101-104
• 5.2.2 模拟结果与分析104-106
• 5.3 小结106-108
• 第六章 结论108-111
• 参考文献111-118
• 附录118-131
• 附录1 天然气部分氧化法制乙炔工艺文献流程图118-120
• 附录2 天然气部分氧化法制乙炔工艺基础数据值120-124
• 附录3 天然气部分氧化法制乙炔热力学分析124-131
• 致谢131-132
• 研究成果及发表的学术论文132-133
• 作者和导师简介133-134
• 论文答辩委员会决议书134-135

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