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《西南石油大学》 2016年
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生物质气化耦合化学链技术的氢电联产工艺分析及经济评价

蒋鹏  
【摘要】:氢气和电能被誉为两大主要清洁能源载体,然而其主要依靠化石能源生产,但化石能源短缺及化石能源利用过程中带来的环境污染和全球变暖已逐渐制约人类可持续发展。生物质能因其储量大、污染低、热值高等优点,现已被广泛开发利用。化学链技术是一种新型清洁燃烧技术,具有燃烧效率高、内分离CO2等特点。本文选取生物质为原料,提出了生物质气化耦合铁基化学链氢电联产工艺、生物质气化耦合钙基化学链工艺,并从热力学分析与技术经济层面与常规生物质气化氢电联产工艺进行了对比。利用Aspen Plus对以上三种工艺进行了模拟,以氢气产率、产氢效率、产电效率、系统总能量效率、(?)效率、碳捕集率和系统单位产能所排放的CO2(SECO2)作为系统热力学性能评价指标,分别研究了气化温度(Tg,650-900℃)、进气化炉内水蒸气与生物质质量比(STBR,0.4-0.9)、铁基化学链系统中燃料反应器内固体Fe2O3循环量与进入燃料反应器内合成气摩尔比(STSR,0.1-0.6)、蒸汽反应器内Fe/FeO流率与蒸汽摩尔比(FeTSR,0.5-1.0)、钙基化学链系统中吸收反应器内CaO与CO摩尔比(CTCR,0.8-1.8)、水蒸气与CO摩尔比(STCR,1.0-3.5)对系统相关性能评价指标的影响。热平衡分析表明,对于常规生物质气化氢电联产工艺,当Tg=800℃,STBR=0.6时,其氢气产率为13.82%,总能量效率为52.53%,(?)效率为45.55%,碳捕集率为0,SECO2为608.94 kg/MWh;对于生物质气化耦合铁基化学链氢电联产工艺,当Tg=750℃, STBR=0.5, STSR=0.4, FeTSR=0.8,时,氢气产率为15.39%,总能量效率为55.80%,(?)效率为48.12%,碳捕集率为99.9%, SECO2为215.68 kg/MWh;对于生物质气化耦合钙基化学链氢电联产工艺,当Tg=750℃, CTCR=1.2, STCR=3.0时,氢气产率为14.62%,总能量效率为43.39%,(?)效率为37.77%,碳捕集率为99.9%, SEC02为217.87 kg/MWh。(?)平衡分析表明,对于常规生物质气化氢电联产工艺和生物质耦合铁基化学链氢电联产工艺,其(?)损比例最大值发生在气化单元(约30%),其次是余热锅炉(约12%);而对于生物质气化耦合钙基化学链氢电联产工艺,(?)损比例最大值发生在气化单元(约22%),其次是钙基化学链单元(约21%)和余热锅炉(约12%)。以固定投资成本、操作和维护费用、单位能量生产成本等作为技术经济指标,对以上三种工艺经济评价表明:常规生物质气化氢电联产工艺经济性均优于另外两种工艺。但当常规生物质气化氢电联产工艺考虑CO2 MEA吸收(捕集率90%)时,生物质气化耦合铁基化学链氢电联产工艺和生物质气化耦合钙基化学链氢电联产工艺与常规生物质气化氢电联产工艺(带CO2捕集)相比,单位氢气生产成本分别下降24%和8.8%,显示出化学链技术较优的经济性,将化学链技术应用到制氢上,可代替目前制氢工艺中的水气变换、变压吸附等单元,大大降低制氢的成本。
【关键词】:生物质气化 铁基化学链 钙基化学链 氢电联产 热力学分析 经济评价
【学位授予单位】:西南石油大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TQ116.2
【目录】:
  • 摘要3-4
  • Abstract4-8
  • 第1章 绪论8-35
  • 1.1 研究背景及意义8-9
  • 1.2 制氢主要技术研究现状9-16
  • 1.2.1 化石燃料制氢10-13
  • 1.2.2 电解水制氢13-14
  • 1.2.3 生物质制氢14-16
  • 1.3 生物质气化技术发展现状16-24
  • 1.3.1 生物质气化原理17-19
  • 1.3.2 生物质气化设备19-21
  • 1.3.3 生物质气化模型21-24
  • 1.4 化学链技术发展概述24-33
  • 1.4.1 类型Ⅰ化学链过程25-30
  • 1.4.2 类型Ⅱ化学链过程30-33
  • 1.5 本文主要研究内容及技术路线33-35
  • 1.5.1 主要研究内容33
  • 1.5.2 技术路线33-35
  • 第2章 工艺过程模拟35-51
  • 2.1 生物质气化氢电联产工艺流程35-39
  • 2.1.1 常规生物质气化氢电联产工艺35-36
  • 2.1.2 生物质气化耦合铁基化学链氢电联产工艺36-38
  • 2.1.3 生物质气化耦合钙基化学链氢电联产工艺38-39
  • 2.2 过程模拟39-47
  • 2.2.1 主要反应单元模拟及验证39-45
  • 2.2.2 基础数据45-47
  • 2.3 系统热力性能评价指标47-50
  • 2.4 本章小结50-51
  • 第3章 工艺参数分析及优化51-72
  • 3.1 影响因素51-52
  • 3.2 气化炉52-60
  • 3.2.1 气化温度T_g的影响52-56
  • 3.2.2 STBR的影响56-60
  • 3.3 铁基化学链系统60-64
  • 3.3.1 STSR的影响60-62
  • 3.3.2 FeTSR的影响62-64
  • 3.4 钙基化学链系统64-66
  • 3.4.1 CTCR的影响64-65
  • 3.4.2 STCR的影响65-66
  • 3.5 系统热平衡对比66-68
  • 3.6 系统(火用)平衡分析68-70
  • 3.7 本章小结70-72
  • 第4章 经济技术分析72-76
  • 第5章 总结与展望76-78
  • 5.1 总结76-77
  • 5.2 展望77-78
  • 致谢78-79
  • 参考文献79-88
  • 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果88-89

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