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《华北电力大学(北京)》 2016年
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回收CO_2的MCFC复合动力系统设计与优化研究

乐龙  
【摘要】:随着近年来气候变暖及海平面上升等问题的出现,温室气体C02的排放也越来越引起人们的重视,减少C02的排放刻不容缓。目前利用可再生能源代替化石燃料燃烧、提高动力系统效率、采取低能耗的捕捉和回收CO2技术是实现节能减排的最有效途径。节能减排和生态环境保护的提出使得人们对高效、清洁、经济、安全的能源使用方式开始了新一轮的探索。本文研究了熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)复合动力发电系统,并对其自身碳排放的脱除进行了研究,在保持MCFC高发电效率的前提下大幅减少其C02排放。本文第一部分主要介绍了研究课题的背景和意义,熔融碳酸盐燃料电池的国内外研究现状和Aspen Plus软件的发展,重点介绍了MCFC的工作原理,建立了本体的Aspen模型并对其进行验证,同时还描述了在后续集成系统中采用的可以降低产氧能耗的新技术-氧离子传输膜(ITM)。第二部分设计了集成ITM带CO2回收的常压MCFC复合动力系统,并通过采用不同ITM吹扫气下系统性能的比较,得到了最高效的常压MCFC复合动力系统,结果表明与不回收CO2的基准系统及传统深冷空分产氧的复合系统相比,新系统具有明显的节能优势。第三部分设计了带C02回收的加压MCFC复合动力系统,对系统压力进行了优化并对不同关键参数进行了灵敏度分析,探讨系统最佳运行参数。同时还对新系统进行了初步的经济性分析。本文的研究成果对于研究高效、节能、环保的MCFC复合动力系统研究提供了有益参考。
【关键词】:熔融碳酸盐燃料电池 复合动力系统 Aspen Plus 脱碳
【学位授予单位】:华北电力大学(北京)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM911.4;TM61
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-10
  • 第1章 绪论10-14
  • 1.1 研究背景和意义10-11
  • 1.2 燃料电池研究动态11-12
  • 1.3 Aspen Plus简介12-13
  • 1.4 本文的主要内容13-14
  • 第2章 熔融碳酸盐燃料电池本体模型及验证14-21
  • 2.1 前言14
  • 2.2 熔融碳酸盐燃料电池14-17
  • 2.2.1 电池结构及工作原理14-15
  • 2.2.2 反应模型15
  • 2.2.3 数学模型15-17
  • 2.3 MCFC建模17-18
  • 2.3.1 模拟假设条件17
  • 2.3.2 MCFC模拟流程描述17-18
  • 2.4 MCFC模型验证18-19
  • 2.4.1 模拟条件18
  • 2.4.2 模拟结果18-19
  • 2.5 氧离子传输膜(ITM)19-20
  • 2.6 小结20-21
  • 第3章 集成ITM回收CO_2的常压MCFC复合动力系统研究21-34
  • 3.1 前言21
  • 3.2 系统描述21-23
  • 3.2.1 不回收CO_2的常压MCFC复合动力基准系统21-22
  • 3.2.2 集成深冷空分单元带CO_2回收的常压MCFC复合动力系统22-23
  • 3.2.3 集成ITM带CO_2回收的常压MCFC复合动力系统23
  • 3.3 系统性能评价指标及模拟结果比较23-27
  • 3.3.1 系统性能指标23-24
  • 3.3.2 假设条件及模拟结果对比24-27
  • 3.4 最优系统灵敏度分析及(?)分析27-33
  • 3.4.1 电流密度的影响27-29
  • 3.4.2 CO_2利用率和阴极循环比的影响29-30
  • 3.4.3 燃料利用率的影响30-31
  • 3.4.4 ITM工作条件的影响31-33
  • 3.4.5 (?)分析33
  • 3.5 小结33-34
  • 第4章 集成带不同吹扫气ITM回收CO_2的常压MCFC复合动力系统比较34-48
  • 4.1 前言34
  • 4.2 带吹扫气新系统描述34-36
  • 4.2.1 Case a系统(带H_2O吹扫)34
  • 4.2.2 Case b系统(带CO_2和H_2O吹扫)34-35
  • 4.2.3 Case c(带CO_2吹扫)35-36
  • 4.3 模拟结果及讨论36-42
  • 4.3.1 系统模拟参数36
  • 4.3.2 不同系统模拟结果比较36-41
  • 4.3.3 不同系统(?)损分布对比41-42
  • 4.4 最优系统关键性能参数的灵敏度分析42-47
  • 4.4.1 电流密度变化对系统性能的影响42-43
  • 4.4.2 氧气分压比变化对系统性能的影响43-44
  • 4.4.3 吹扫气回注比变化对系统性能的影响44-45
  • 4.4.4 阴极循环比变化对系统性能的影响45-46
  • 4.4.5 燃料利用率变化对系统性能的影响46-47
  • 4.5 小结47-48
  • 第5章 带CO_2回收的加压MCFC复合动力系统研究及初步经济性分析48-63
  • 5.1 前言48
  • 5.2 系统描述48-50
  • 5.2.1 传统的不回收CO_2的加压MCFC复合动力系统48-49
  • 5.2.2 回收CO_2的加压MCFC复合动力新系统49-50
  • 5.3 模拟结果50-52
  • 5.3.1 不回收CO_2的加压MCFC基准系统MCFC工作压力优化50-52
  • 5.3.2 系统性能比较52
  • 5.4 新系统关键性能参数灵敏度分析52-58
  • 5.4.1 电流密度的影响52-54
  • 5.4.2 燃料利用率的影响54-55
  • 5.4.3 CO_2利用率的影响55-56
  • 5.4.4 阴极循环比的影响56-57
  • 5.4.5 CO_2回注比的影响57-58
  • 5.5 新系统初步经济性分析58-62
  • 5.5.1 主要假设58-59
  • 5.5.2 系统总成本59-60
  • 5.5.3 发电成本(COE)60-62
  • 5.6 小结62-63
  • 第6章 结论与展望63-65
  • 6.1 研究工作总结63
  • 6.2 后续工作建议63-65
  • 参考文献65-69
  • 攻读硕士期间发表的论文及其它成果69-70
  • 攻读硕士期间参加的科研工作70-71
  • 致谢71

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