生物質(zhì)氣化制氫及熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能研究.pdf

1、生物質(zhì)能作為一種可再生的清沾能源,在利用過程中能實現(xiàn)CO2零排放,可有效減緩溫室效應(yīng),其開發(fā)利用越來越受到世界各國的關(guān)注。在各種利用方式中,生物質(zhì)氣化技術(shù)以其低污染、高效率等特點,成為一項正在興起的技術(shù)。與此同時,隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展,將生物質(zhì)氣化與高溫燃料電池結(jié)合起來進行發(fā)電是今后可持續(xù)發(fā)展的高效潔凈的電能生產(chǎn)方式之一。 論文研究以生物質(zhì)為原料,提出串行流化床氣化制氫技術(shù),將氣化和燃燒分為兩個相對獨立的過程。氣化反應(yīng)器采用鼓

2、泡流化床,以水蒸氣作為氣化介質(zhì)；燃燒反應(yīng)器采用循環(huán)流化床,流化介質(zhì)為空氣。通過燃燒半焦為氣化反應(yīng)提供熱量,兩床之間依靠床料顆粒進行熱量傳遞,實現(xiàn)自熱平衡的生物質(zhì)氣化。利用Aspen Plus軟件建立模型,以質(zhì)量平衡、化學(xué)平衡和能量平衡為基礎(chǔ),對串行流化床生物質(zhì)氣化過程進行成分預(yù)測及熱力性能模擬計算,探討不同反應(yīng)條件包括氣化溫度、壓力、水蒸氣與生物質(zhì)質(zhì)量配比及添加CaCO3對碳轉(zhuǎn)化率、氣化產(chǎn)物和氣化效率的影響。結(jié)果表明：采用串行流化床生物

3、質(zhì)水蒸氣氣化技術(shù)可獲得氫濃度為60％以上的富氫燃料氣,并可達到較高的碳轉(zhuǎn)化率(50％～80％)和氣化效率(50％～75％);為獲得較高的氫產(chǎn)率,系統(tǒng)適宜的工作條件為常壓下,氣化溫度為700℃左右,水蒸氣與生物質(zhì)配比在0.4～0.6之間；添加CaCO3有利于提高氫產(chǎn)率,最大氫產(chǎn)率可達45.4mol/kg生物質(zhì)(干燥無灰基)。研究結(jié)果為今后開展生物質(zhì)氣化制氫試驗提供了理論依據(jù)。 論文將生物質(zhì)氣化與熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)構(gòu)建為

4、新型的生物質(zhì)能高效清潔利用聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù),氣化產(chǎn)生的富氫氣體作為MCFC的燃料,通過燃燒半焦以及MCFC中未利用的燃料為氣化反應(yīng)提供熱量,系統(tǒng)余熱用于產(chǎn)生蒸汽進入汽輪機做功,增壓情況下MCFC排氣驅(qū)動燃氣透平做功,開展了生物質(zhì)氣化-MCFC聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的模擬研究。運用Aspen Plus軟件搭建系統(tǒng)模型并進行計算,研究了系統(tǒng)的主要參數(shù)包括氣化溫度、水蒸氣與生物質(zhì)配比、空氣預(yù)熱溫度、燃料利用率、工作壓力及燃料電池內(nèi)重整對系統(tǒng)性能的影

5、響。結(jié)果表明：生物質(zhì)氣化-MCFC聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)具有較高的系統(tǒng)發(fā)電效率,可達50％以上,比常規(guī)生物質(zhì)氣化驅(qū)動燃氣輪機技術(shù)高出10個百分點；提高系統(tǒng)工作壓力可改善系統(tǒng)的整體性能,當(dāng)氣化溫度為700℃、水蒸氣與生物質(zhì)配比為0.6、工作壓力由常壓升高到1MPa時,系統(tǒng)發(fā)電效率可提高近6個百分點；燃料利用率和空氣預(yù)熱溫度的提高都有利于提高系統(tǒng)發(fā)電效率：對于氣化溫度較高或水蒸氣與生物質(zhì)配比較大的常壓系統(tǒng)無需采用內(nèi)重整,而對于增壓系統(tǒng),采用內(nèi)重整