天然氣制乙炔工藝的氫能利用與多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

【摘要】： 高效、多功能的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)作為可持續(xù)發(fā)展能源利用技術(shù),是緩解日益嚴(yán)重的資源、能源和環(huán)境等多方面的壓力,提高能源利用率,建立資源節(jié)約型社會(huì)的重要手段。 本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃資助,開展天然氣基乙炔化工與動(dòng)力系統(tǒng)集成整合原則和有效途徑的研究,旨在揭示氫能轉(zhuǎn)化對(duì)包含氫工藝的天然氣基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的作用規(guī)律,提出相應(yīng)的能量集成方法,開拓新穎氫燃料熱力循環(huán)系統(tǒng),以及天然氣基乙炔與氫能動(dòng)力有機(jī)整合的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。本文主要研究?jī)?nèi)容如下: 首先,研究了天然氣基乙炔動(dòng)力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能量集成的策略,并以逆變換反應(yīng)這一關(guān)鍵過程研究為基礎(chǔ),提出了氫能間接發(fā)電的氫能利用途徑。研究了逆變換反應(yīng)中反應(yīng)條件對(duì)氫氣的轉(zhuǎn)化率和吸收所需能量品位的影響規(guī)律。提出提高逆變換反應(yīng)中CO_2與氫氣的物質(zhì)量比,不但可以降低逆變換反應(yīng)熱源的溫度,吸收更多的低品位熱,而且可以提高氫氣的轉(zhuǎn)化率,提高CO的生成量,從而提高系統(tǒng)的能量利用效率。因?yàn)樵谙嗤臈l件下,CO氣體比H_2氣體燃燒時(shí)能夠釋放出更多的熱量。相對(duì)于直接利用H_2的動(dòng)力轉(zhuǎn)化過程,這是間接轉(zhuǎn)化與利用H_2的一種方法。研究認(rèn)為有效轉(zhuǎn)化和利用天然氣基乙炔工藝副產(chǎn)的富氫合成氣,是天然氣基乙炔動(dòng)力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)創(chuàng)新的重要途徑,也是核心的系統(tǒng)能量集成原則。 提出了一種新的圖式熱力學(xué)分析和集成工具,及其系統(tǒng)能量分析與集成的啟示性準(zhǔn)則。以氫作為關(guān)鍵化學(xué)品,關(guān)聯(lián)氫與多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)目的化學(xué)品的轉(zhuǎn)化速率以及過程的(火用)變,提出了流量—(火用)變圖FED(Flowrate Exergy Diagram),并提出了使用FED進(jìn)行含氫工藝的天然氣基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能量分析與集成的一系列啟示性準(zhǔn)則。該方法直觀、簡(jiǎn)明地描述復(fù)雜系統(tǒng)中氫或含氫化學(xué)品量改變所引起的熱力學(xué)代價(jià),便于指出能量轉(zhuǎn)換的薄弱環(huán)節(jié),提出工藝改進(jìn)和系統(tǒng)能量集成的方法。 然后,以氫能直接動(dòng)力轉(zhuǎn)化與間接轉(zhuǎn)化兩種途徑,開展了下述三個(gè)天然氣基乙炔動(dòng)力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)創(chuàng)新: (1)天然氣基乙炔工藝與燃料電池多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(氫能直接動(dòng)力轉(zhuǎn)化)?；趯?duì)天然氣部分氧化制乙炔工藝和天然氣水蒸汽重整制H_2及燃料電池PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)工藝的FED分析和比較,提出了一個(gè)新穎的天然氣基乙炔與PEMFC多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。新系統(tǒng)將傳統(tǒng)合成乙炔工藝中的副產(chǎn)H_2作為PEMFC的H_2源,通過水氣變換反應(yīng)提高H_2產(chǎn)率,并采用催化燃燒和余熱鍋爐系統(tǒng)回收PEMFC尾氣余熱。研究了該多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱力學(xué)性能,并利用圖式分析工具FED,研究了多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化規(guī)律,揭示出天然氣基乙炔與PEMFC集成的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)氫能轉(zhuǎn)化與能量轉(zhuǎn)換利用之間的集成整合。 (2)天然氣基乙炔工藝與氫氧聯(lián)合循環(huán)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(氫能直接動(dòng)力轉(zhuǎn)化)?；趯?duì)天然氣水蒸汽重整制H_2及氫氧聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的分析研究,應(yīng)用FED啟示性準(zhǔn)則和多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)集成方法,構(gòu)思并設(shè)計(jì)了一種天然氣基乙炔與氫氧聯(lián)合循環(huán)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。研究了該多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化特性和系統(tǒng)效率,利用FED研究了天然氣基乙炔與氫氧聯(lián)合循環(huán)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的氫能轉(zhuǎn)化和能量集成作用。 (3)天然氣基乙炔工藝與逆變換化學(xué)回?zé)嵫h(huán)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(氫能間接動(dòng)力轉(zhuǎn)化)。構(gòu)思了一種由氫氣CO_3逆變換化學(xué)回?zé)?、余熱制冷和進(jìn)氣冷卻構(gòu)成的新型氫能間接動(dòng)力轉(zhuǎn)化熱力循環(huán)。研究了該循環(huán)的發(fā)電效率等能量轉(zhuǎn)化特性和該循環(huán)的熱力學(xué)性能及其影響參數(shù),并考察了循環(huán)壓比對(duì)系統(tǒng)循環(huán)的影響規(guī)律,說明新循環(huán)實(shí)現(xiàn)了氫能的間接高效利用。進(jìn)而基于對(duì)該循環(huán)的分析和天然氣基乙炔動(dòng)力多聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)能量集成原則,構(gòu)思并集成了一種新型的天然氣基乙炔與逆變換化學(xué)回?zé)釀?dòng)力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),并研究了該多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化特性和系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率。 【關(guān)鍵詞】：多聯(lián)產(chǎn) 乙炔 氫 系統(tǒng)能量集成 熱力學(xué)分析
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：TQ116.2
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-18
• 第一章 緒論18-35
• 1.1 研究背景與意義18-19
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展19-33
• 1.2.1 天然氣制乙炔工藝19-22
• 1.2.2 氫能與化學(xué)回?zé)峒夹g(shù)22-28
• 1.2.3 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)28-31
• 1.2.4 圖式熱力學(xué)分析方法31-33
• 1.3 研究?jī)?nèi)容與目標(biāo)33-35
• 第二章 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中氫能利用理論與方法的初步研究35-52
• 2.1 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與氫能利用35-38
• 2.1.1 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的氫工藝35-36
• 2.1.2 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的氫能利用策略36-38
• 2.2 逆變換反應(yīng)與氫轉(zhuǎn)換38-41
• 2.3 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)氫工藝的能量集成41-51
• 2.3.1 熱力學(xué)分析和能量集成的理論基礎(chǔ)41-43
• 2.3.2 流量—(火用)變圖(FED)43-48
• 2.3.3 能量集成的啟示性準(zhǔn)則48-49
• 2.3.4 FED圖式分析法49-51
• 2.4 小結(jié)51-52
• 第三章 天然氣基乙炔與燃料電池多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)52-80
• 3.1 天然氣部分氧化法制乙炔工藝模擬及分析52-65
• 3.1.1 乙炔工藝流程53-55
• 3.1.2 乙炔工藝模擬55-56
• 3.1.3 模擬結(jié)果與分析56-65
• 3.2 大然氣水蒸汽重整制 H_2與燃料電池工藝模擬及分析65-69
• 3.2.1 天然氣水蒸汽重整制 H_2與燃料電池工藝的模擬65-68
• 3.2.2 天然氣制氫和燃料電池系統(tǒng)的 FED分析68-69
• 3.3 天然氣基乙炔與燃料電池多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)69-78
• 3.3.1 乙炔工藝與燃料電池工藝的能量集成69-70
• 3.3.2 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)描述與特征70-73
• 3.3.3 模擬結(jié)果和分析73-76
• 3.3.4 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的FED的表述76-77
• 3.3.5 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與分產(chǎn)系統(tǒng)的比較77-78
• 3.4 小結(jié)78-80
• 第四章 天然氣基乙炔與氫氧聯(lián)合循環(huán)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)80-92
• 4.1 氫氧聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)模擬及分析80-84
• 4.1.1 氫氧聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的模擬80-83
• 4.1.2 氫氧聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的FED分析83-84
• 4.2 天然氣基乙炔與氫氧聯(lián)合循環(huán)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)84-91
• 4.2.1 乙炔工藝與氫氧聯(lián)合循環(huán)的能量集成84-85
• 4.2.2 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程描述與特征85-86
• 4.2.3 模擬結(jié)果和分析86-89
• 4.2.4 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的FED的表述89
• 4.2.5 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與分產(chǎn)系統(tǒng)的比較89-91
• 4.3 小結(jié)91-92
• 第五章 天然氣基乙炔與逆變換化學(xué)回?zé)釀?dòng)力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)92-108
• 5.1 逆變換化學(xué)回?zé)釤崃ρh(huán)92-101
• 5.1.1 新循環(huán)構(gòu)思與流程描述93-94
• 5.1.2 新循環(huán)模擬94-95
• 5.1.3 模擬結(jié)果與分析95-98
• 5.1.4 新循環(huán)熱力性能分析98-101
• 5.2 天然氣基乙炔與逆變換化學(xué)回?zé)岫嗦?lián)產(chǎn)系統(tǒng)101-106
• 5.2.1 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程描述與特征101-104
• 5.2.2 模擬結(jié)果與分析104-106
• 5.3 小結(jié)106-108
• 第六章 結(jié)論108-111
• 參考文獻(xiàn)111-118
• 附錄118-131
• 附錄1 天然氣部分氧化法制乙炔工藝文獻(xiàn)流程圖118-120
• 附錄2 天然氣部分氧化法制乙炔工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)值120-124
• 附錄3 天然氣部分氧化法制乙炔熱力學(xué)分析124-131
• 致謝131-132
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文132-133
• 作者和導(dǎo)師簡(jiǎn)介133-134
• 論文答辯委員會(huì)決議書134-135

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煤的化學(xué)族組成初步研究及其在煤等離子體熱解制乙炔中的應(yīng)用    田原宇

以煤層氣為冷卻劑的等離子體裂解煤制乙炔方案研究    李明東

光合產(chǎn)氫菌群的篩選及其利用豬糞污水產(chǎn)氫因素的研究    尤希鳳

焦?fàn)t煤氣與氣化煤氣基焦炭、化工與動(dòng)力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)及集成機(jī)理    孫士恩

多聯(lián)產(chǎn)CCS的全生命周期綜合評(píng)價(jià)與系統(tǒng)集成研究    林湖

長(zhǎng)周期光纖光柵氫氣傳感器研究    季海焦

天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化—PSA聯(lián)合制氫中轉(zhuǎn)化反應(yīng)器模型研究及系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用    賀學(xué)文

LaNi_5和活性炭混合物儲(chǔ)氫研究    楊志冠

超臨界水中生物質(zhì)氣化制氫實(shí)驗(yàn)研究    苑塔亮

柴油機(jī)摻氫關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)驗(yàn)研究    王斌

變壓吸附法凈化氫氣的研究    陳驚波

氣敏傳感器用于變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究    張挺

氫氣振蕩操作制備寬峰聚乙烯的研究    濮亞俊

柴油機(jī)燃用乳化油節(jié)油新途徑的實(shí)驗(yàn)研究    劉闖

熱等離子體裂解天然氣制納米炭黑和乙炔的機(jī)理研究    羅義文