太陽能與生物質(zhì)能熱化學(xué)互補(bǔ)高效利用系統(tǒng)集成與方法

【摘要】：太陽能和生物質(zhì)能以巨大資源量和開發(fā)利用清潔性的特點(diǎn),成為應(yīng)對當(dāng)前能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等難題的有效途徑之一。但太陽能和生物質(zhì)能等可再生能源的能流密度低、分布不均和間歇性等固有特性也嚴(yán)重制約其高效和規(guī)模化推廣應(yīng)用,為此研發(fā)高效的可再生能源利用技術(shù)成為二十一世紀(jì)能源科學(xué)研究重要研究領(lǐng)域。本學(xué)位論文依托國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等國家重要科研項(xiàng)目,探索太陽能和生物質(zhì)能等可再生能源的高效綜合利用方法。針對太陽能驅(qū)動生物質(zhì)的熱化學(xué)互補(bǔ)利用方式,開展互補(bǔ)利用能量轉(zhuǎn)化機(jī)理、關(guān)鍵過程及系統(tǒng)集成等基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究?；谀艿钠肺桓拍?研究了太陽能與生物質(zhì)熱化學(xué)互補(bǔ)利用的能量品位匹配和能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。為實(shí)現(xiàn)太陽能與生物質(zhì)兩種可再生能源的優(yōu)勢互補(bǔ)和綜合梯級利用,提出基于太陽能驅(qū)動生物質(zhì)氣化的熱化學(xué)互補(bǔ)利用方法,完成了太陽能的能量形式由熱能到燃料化學(xué)能的轉(zhuǎn)化,同時也實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)燃料化學(xué)能的間接釋放及梯級利用。在這一過程中,生物質(zhì)燃料化學(xué)能品位的降低過程能作為“驅(qū)動力”用以提升太陽能的能量品位。上述的研究成果將為探尋太陽能與生物質(zhì)能高效互補(bǔ)利用新方法提供理論依據(jù)。依據(jù)“品位對口,梯級利用”的系統(tǒng)集成思路,開展了太陽能與生物質(zhì)能熱化學(xué)互補(bǔ)利用的系統(tǒng)集成研究。通過構(gòu)建太陽能-生物質(zhì)氣化的化工多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)氣化產(chǎn)物的多元化利用,揭示了氣化反應(yīng)溫度和未反應(yīng)合成氣循環(huán)倍率等關(guān)鍵參數(shù)對多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱力性能和經(jīng)濟(jì)性能的影響規(guī)律。提出了太陽能-生物質(zhì)氣化過程與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的互補(bǔ)利用系統(tǒng),構(gòu)建了全工況運(yùn)行分析模型,開展了互補(bǔ)型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)性能研究,揭示了太陽能與生物質(zhì)能的互補(bǔ)利用耦合特性。開展了高寒地區(qū)中低溫太陽能熱化學(xué)制氫及發(fā)電等關(guān)鍵過程實(shí)驗(yàn)研究。研制了20 kW中低溫太陽能熱化學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺,該實(shí)驗(yàn)平臺主要包括拋物槽式太陽能聚光集熱及燃料轉(zhuǎn)換裝置、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電單元、原料預(yù)處理及氣體分離裝置和系統(tǒng)管網(wǎng)及熱工控制系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)平臺現(xiàn)已初步實(shí)現(xiàn)在東北地區(qū)高寒氣候條件下以20 kW滿負(fù)荷電功率連續(xù)運(yùn)行,同時完成了實(shí)驗(yàn)平臺的運(yùn)行特性規(guī)律和系統(tǒng)運(yùn)行性能研究,將為開拓太陽能熱化學(xué)互補(bǔ)的多地域應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 【關(guān)鍵詞】：太陽能熱化學(xué) 生物質(zhì) 系統(tǒng)集成 互補(bǔ)利用 互補(bǔ)機(jī)理
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK6;TK519
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-32
• 1.1 課題研究背景與意義12-14
• 1.2 太陽能光熱和生物質(zhì)利用技術(shù)研究進(jìn)展14-21
• 1.2.1 太陽能光熱利用及太陽能熱發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀14-16
• 1.2.2 生物質(zhì)利用技術(shù)現(xiàn)狀16-21
• 1.3 太陽能熱互補(bǔ)及太陽能熱化學(xué)利用技術(shù)研究進(jìn)展21-31
• 1.3.1 太陽能熱互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)22-24
• 1.3.2 太陽能高溫?zé)峄瘜W(xué)分解水/CO_2、重整甲烷制氫技術(shù)24-28
• 1.3.3 碳?xì)涔腆w燃料太陽能氣化技術(shù)28-31
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題31-32
• 第二章 太陽能-生物質(zhì)能熱化學(xué)互補(bǔ)利用及能量轉(zhuǎn)換機(jī)理32-48
• 2.1 概述32
• 2.2 太陽能-生物質(zhì)氣化熱力學(xué)特性分析32-38
• 2.2.1 生物質(zhì)試樣基礎(chǔ)物性測定及分析32-34
• 2.2.2 平衡態(tài)太陽能-生物質(zhì)氣化反應(yīng)熱力學(xué)性能34-38
• 2.3 熱化學(xué)互補(bǔ)利用過程能量釋放及品位提升機(jī)理38-42
• 2.4 基于太陽能-生物質(zhì)氣化的可再生能源互補(bǔ)原則及思路42-46
• 2.4.1 太陽能-生物質(zhì)熱化學(xué)互補(bǔ)利用原則42-44
• 2.4.2 構(gòu)建基于太陽能-生物質(zhì)氣化的氫能產(chǎn)儲輸用一體化利用體系44-46
• 2.5 本章小結(jié)46-48
• 第三章 基于太陽能-生物質(zhì)氣化的化工多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)研究48-66
• 3.1 概述48-49
• 3.2 基于太陽能-生物質(zhì)氣化的化工多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)集成與方法49-51
• 3.2.1 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)集成思路49
• 3.2.2 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程描述49-51
• 3.3 太陽能-生物質(zhì)氣化反應(yīng)動力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究51-57
• 3.3.1 生物質(zhì)氣化反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理實(shí)驗(yàn)51-53
• 3.3.2 反應(yīng)動力學(xué)分析方法53-56
• 3.3.3 反應(yīng)動力學(xué)計(jì)算結(jié)果與分析56-57
• 3.4 太陽能-生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱力特性規(guī)律57-64
• 3.4.1 參比系統(tǒng)及熱力學(xué)性能評價準(zhǔn)則57-60
• 3.4.2 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱力學(xué)性能分析60-62
• 3.4.3 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)影響分析62-64
• 3.5 太陽能-生物質(zhì)氣化多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)初步經(jīng)濟(jì)性能分析64-66
• 第四章 太陽能-生物質(zhì)氣化互補(bǔ)型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)變工況性能研究66-92
• 4.1 概述66-67
• 4.2 高溫?zé)峄瘜W(xué)和熱集成互補(bǔ)型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)性能對比研究67-80
• 4.2.1 互補(bǔ)型發(fā)電系統(tǒng)集成思路及系統(tǒng)描述67-69
• 4.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)及性能評價準(zhǔn)則69-73
• 4.2.3 設(shè)計(jì)點(diǎn)的互補(bǔ)型發(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)性能分析73-75
• 4.2.4 互補(bǔ)型發(fā)電系統(tǒng)全工況性能特性分析75-80
• 4.3 基于兩級氣化的太陽能-生物質(zhì)互補(bǔ)型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)80-91
• 4.3.1 系統(tǒng)描述80-82
• 4.3.2 生物質(zhì)基礎(chǔ)物性及熱解反應(yīng)動力學(xué)分析82-85
• 4.3.3 驅(qū)動生物質(zhì)兩級氣化的太陽熱能品位提升機(jī)理85-86
• 4.3.4 互補(bǔ)型發(fā)電系統(tǒng)全工況熱力學(xué)性能分析86-91
• 4.4 本章小結(jié)91-92
• 第五章 中低溫太陽能熱化學(xué)制氫及發(fā)電技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究92-112
• 5.1 概述92
• 5.2 中低溫太陽能熱化學(xué)裂解甲醇實(shí)驗(yàn)機(jī)理92-95
• 5.2.1 中低溫太陽能熱化學(xué)裂解甲醇制氫實(shí)驗(yàn)原理92-94
• 5.2.2 中低溫太陽熱能品位提升機(jī)理94-95
• 5.3 研制20 kW中低溫太陽能熱化學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺95-105
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)流程95-96
• 5.3.2 拋物槽式太陽能聚光集熱及燃料轉(zhuǎn)換裝置96-100
• 5.3.3 內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組單元100-102
• 5.3.4 原料預(yù)處理及氣體冷凝分離裝置102-103
• 5.3.5 系統(tǒng)管網(wǎng)及熱工控制系統(tǒng)103-105
• 5.4 實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容及結(jié)果分析105-110
• 5.4.1 中低溫太陽能熱化學(xué)制氫及發(fā)電性能105-106
• 5.4.2 實(shí)驗(yàn)平臺運(yùn)行特性及分析106-110
• 5.4.3 實(shí)驗(yàn)總結(jié)及實(shí)驗(yàn)平臺改進(jìn)方案110
• 5.5 本章小結(jié)110-112
• 第六章 結(jié)論112-114
• 6.1 主要研究成果112-113
• 6.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)113-114
• 主要符號表114-116
• 參考文獻(xiàn)116-128
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文與申請專利目錄128-130
• 博士學(xué)位論文科研項(xiàng)目背景130-131
• 攻讀博士學(xué)位期間獲獎情況131-132
• 致謝132-133

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