天然氣制乙炔工藝的氫能利用與多聯(lián)產系統(tǒng).pdf

1、高效、多功能的多聯(lián)產系統(tǒng)作為可持續(xù)發(fā)展能源利用技術，是緩解日益嚴重的資源、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)約型社會的重要手段。 本文依托國家自然科學基金重大研究計劃資助，開展天然氣基乙炔化工與動力系統(tǒng)集成整合原則和有效途徑的研究，旨在揭示氫能轉化對包含氫工藝的天然氣基多聯(lián)產系統(tǒng)的作用規(guī)律，提出相應的能量集成方法，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力有機整合的多聯(lián)產系統(tǒng)。本文主要研究內容如下：

2、 首先，研究了天然氣基乙炔動力多聯(lián)產系統(tǒng)能量集成的策略，并以逆變換反應這一關鍵過程研究為基礎，提出了氫能間接發(fā)電的氫能利用途徑。研究了逆變換反應中反應條件對氫氣的轉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中CO2與氫氣的物質量比，不但可以降低逆變換反應熱源的溫度，吸收更多的低品位熱，而且可以提高氫氣的轉化率，提高CO的生成量，從而提高系統(tǒng)的能量利用效率。因為在相同的條件下，CO氣體比H2氣體燃燒時能夠釋放出更多的熱量

3、。相對于直接利用H2的動力轉化過程，這是間接轉化與利用H2的一種方法。研究認為有效轉化和利用天然氣基乙炔工藝副產的富氫合成氣，是天然氣基乙炔動力多聯(lián)產系統(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分析和集成工具，及其系統(tǒng)能量分析與集成的啟示性準則。以氫作為關鍵化學品，關聯(lián)氫與多聯(lián)產系統(tǒng)目的化學品的轉化速率以及過程的（）變，提出了流量-（）變圖FED（Flowrate Exergy Diagram），并

4、提出了使用FED進行含氫工藝的天然氣基多聯(lián)產系統(tǒng)能量分析與集成的一系列啟示性準則。該方法直觀、簡明地描述復雜系統(tǒng)中氫或含氫化學品量改變所引起的熱力學代價，便于指出能量轉換的薄弱環(huán)節(jié)，提出工藝改進和系統(tǒng)能量集成的方法。 然后，以氫能直接動力轉化與間接轉化兩種途徑，開展了下述三個天然氣基乙炔動力多聯(lián)產系統(tǒng)創(chuàng)新： （1）天然氣基乙炔工藝與燃料電池多聯(lián)產系統(tǒng)（氫能直接動力轉化）?；趯μ烊粴獠糠盅趸埔胰补に嚭吞烊粴馑羝卣?/p>

5、H2及燃料電池PEMFC（Proton Exchange Membrane Fuel Cell）工藝的FED分析和比較，提出了一個新穎的天然氣基乙炔與PEMFC多聯(lián)產系統(tǒng)。新系統(tǒng)將傳統(tǒng)合成乙炔工藝中的副產H2作為PEMFC的H2源，通過水氣變換反應提高H2產率，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)產系統(tǒng)的熱力學性能，并利用圖式分析工具FED，研究了多聯(lián)產系統(tǒng)的的物質和能量轉化規(guī)律，揭示出天然氣基乙炔與PEMF

6、C集成的多聯(lián)產系統(tǒng)氫能轉化與能量轉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)產系統(tǒng)（氫能直接動力轉化）。基于對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，應用FED啟示性準則和多聯(lián)產系統(tǒng)集成方法，構思并設計了一種天然氣基乙炔與氫氧聯(lián)合循環(huán)多聯(lián)產系統(tǒng)。研究了該多聯(lián)產系統(tǒng)的能量轉化特性和系統(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)產系統(tǒng)的氫能轉化和能量集成作用。 （3）天然氣基乙炔工

7、藝與逆變換化學回熱循環(huán)多聯(lián)產系統(tǒng)（氫能間接動力轉化）。構思了一種由氫氣CO2逆變換化學回熱、余熱制冷和進氣冷卻構成的新型氫能間接動力轉化熱力循環(huán)。研究了該循環(huán)的發(fā)電效率等能量轉化特性和該循環(huán)的熱力學性能及其影響參數(shù)，并考察了循環(huán)壓比對系統(tǒng)循環(huán)的影響規(guī)律，說明新循環(huán)實現(xiàn)了氫能的間接高效利用。進而基于對該循環(huán)的分析和天然氣基乙炔動力多聯(lián)產的系統(tǒng)能量集成原則，構思并集成了一種新型的天然氣基乙炔與逆變換化學回熱動力多聯(lián)產系統(tǒng)，并研究了該多聯(lián)產系