天然氣制乙炔工藝的氫能利用與多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng).pdf

1、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：

2、 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CO2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H2氣體燃燒時(shí)能夠釋放出更多的熱量

3、。相對(duì)于直接利用H2的動(dòng)力轉(zhuǎn)化過程，這是間接轉(zhuǎn)化與利用H2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（）變，提出了流量-（）變圖FED（Flowrate Exergy Diagram），并

4、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

5、H2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)H2作為PEMFC的H2源，通過水氣變換反應(yīng)提高H2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PEMF

6、C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）。基于對(duì)天然氣水蒸汽重整制H2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

7、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CO2逆變換化學(xué)回?zé)帷⒂酂嶂评浜瓦M(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