超临界水煤气化方法及发电系统集成

发布时间：2020-06-22 07:15

【摘要】：采用超临界水作为煤炭气化介质,可省去传统煤气化技术中的空分单元,得到洁净的富氢合成气。超临界水煤气化技术作为一种新型煤炭清洁高效利用技术,具有广泛的应用前景。本文依托国家973课题等重要科研项目,针对超临界水煤气化中的燃料化学能梯级利用机理、基于新型气化技术的能源系统集成原则、以及低能耗捕集CO_2等科学问题,开展了气化过程基础理论、高效新型能源系统开拓等方面的研究。在气化基础理论方面,基于热力学第一定律和第二定律,研究了超临界水煤气化过程中燃料化学能与热能相互转换的特性规律,建立了外燃供热的超临界水煤气化过程能的品位提升关系式,揭示了外部热源供热量的品位提升机理。采用冷煤气效率和拥效率等评价指标对比分析了超临界水煤气化与O_2-H2O煤气化过程的热力学特性规律,通过能量平衡和图像(?)分析法研究了两种技术的品位变化和能量释放特征。在高效新型能源系统开拓及集成原则研究方面,基于能的梯级利用原理,考察气化产物显热利用与发电单元的不同集成方式,集成了若干临界水煤气化-联合循环发电系统,研究了其热力性能与特性规律。气化室内煤浆浓度和热集成方式决定了系统输入能量在利用终端的分配比例,从而影响系统热效率。在本文研究条件下,各系统的热效率均随着煤浆浓度的升高而增大,并联型发电系统由于冷却塔内排热量较少,且回热量较多,系统热效率最高。从不同发电系统的对比中凝练了高效超临界水煤气化发电系统的基本集成原则是:优化气化产物显热和成分利用方式,将系统输入能量更多地引向联合循环。相比于传统燃煤电站和IGCC电站,并联型超临界水煤气化发电系统有效地提高了煤炭的利用能效。在捕集CO_2的高效能源系统集成方面,基于超临界水煤气化压力高及合成气成分洁净的基本特征,提出了带CO_2捕集的分离合成气以及合成气直燃型超临界水煤气化发电系统,分析了系统的基本特性规律和热力学性能。针对合成气直燃型发电系统,结合系统能量平衡和(?)平衡,采用图像(?)分析法研究了关键过程的品位特征和能量释放规律。结果表明,CO_2捕集率可达99%的情况下,合成气直燃型发电系统热效率可达到38.3%,性能优于带燃烧前,燃烧后以及富氧燃烧技术的燃煤电站。在关键过程实验方面,研制了 H2、CO_2、CO和CH4混合气体在水中的溶解度测量实验台,实际工作压力可达25MPa,温度可达180℃。实验台可测量宽压力范围内混合气体在水中的溶解度,为超临界水煤气化能源系统中的管道、换热器以及超临界透平等设备的设计提供气液平衡方面的理论参考。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ546
【图文】：

中国煤炭,一次能源,占比,煤炭

Ｃｈｉｎａ逡逑从２０００年至２０１６年，中国煤炭消费总量及其在一次能源消耗中所占比例列逡逑于图１．１［１＿１３］。从２００７年^u始，煤炭在一次能源消耗中所占比例呈现降低趋势，逡逑而从２０００年到２０１３年中国煤炭的消费总量在一直升高，２０１３年后煤炭的消费逡逑总量开始逐渐降低。根据《中国能源统计年鉴２０１２》，２０１２年中国电力热力生产逡逑行业煤炭消费占煤炭总消费量的３１．８１％，虽然中国火电厂平均发电效率由１９７８逡逑年的２８．３％提高到２０１４年４１％［１４］，其余６８．１９％的煤炭用于金属冶炼、化工生产、逡逑第１页共１１２页逡逑

物化性质,高温水

超临界水是指温度和压力高于临界点（３７４．３°Ｃ，２２．１ＭＰａ）的水。水的密度、逡逑介电常数和电离度等参数随温度和压力的变化而发生改变，在临界点附近变化非逡逑常剧烈［５２］，如图１．２所示。超临界水的介电常数远低于常态水的介电常数，氢键逡逑的数量和稳健性大幅度降低［２１］，从而对有机物的溶解度增加，对无机盐的溶解逡逑度降低，表现出有机溶剂的特性，使得煤从传统气化工艺的非均相反应转为在超逡逑临界水里的均相反应，消除了相间传热传质阻力，强化反应过程［＆２４］。当温度和逡逑压力接近超临界点，水的离子积是常态水的１0３倍，因此，在特定条件下，致密逡逑高温水是有机成分发生酸基或碱基催化反应的有效介质。但当温度和压力超过超逡逑临界点，水的离子积迅速下降，不利于离子反应［２１］。逡逑第３页共１１２页逡逑

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