【摘要】：采用超臨界水作為煤炭氣化介質(zhì),可省去傳統(tǒng)煤氣化技術(shù)中的空分單元,得到潔凈的富氫合成氣。超臨界水煤氣化技術(shù)作為一種新型煤炭清潔高效利用技術(shù),具有廣泛的應(yīng)用前景。本文依托國家973課題等重要科研項目,針對超臨界水煤氣化中的燃料化學能梯級利用機理、基于新型氣化技術(shù)的能源系統(tǒng)集成原則、以及低能耗捕集CO_2等科學問題,開展了氣化過程基礎(chǔ)理論、高效新型能源系統(tǒng)開拓等方面的研究。在氣化基礎(chǔ)理論方面,基于熱力學第一定律和第二定律,研究了超臨界水煤氣化過程中燃料化學能與熱能相互轉(zhuǎn)換的特性規(guī)律,建立了外燃供熱的超臨界水煤氣化過程能的品位提升關(guān)系式,揭示了外部熱源供熱量的品位提升機理。采用冷煤氣效率和擁效率等評價指標對比分析了超臨界水煤氣化與O_2-H2O煤氣化過程的熱力學特性規(guī)律,通過能量平衡和圖像(?)分析法研究了兩種技術(shù)的品位變化和能量釋放特征。在高效新型能源系統(tǒng)開拓及集成原則研究方面,基于能的梯級利用原理,考察氣化產(chǎn)物顯熱利用與發(fā)電單元的不同集成方式,集成了若干臨界水煤氣化-聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng),研究了其熱力性能與特性規(guī)律。氣化室內(nèi)煤漿濃度和熱集成方式?jīng)Q定了系統(tǒng)輸入能量在利用終端的分配比例,從而影響系統(tǒng)熱效率。在本文研究條件下,各系統(tǒng)的熱效率均隨著煤漿濃度的升高而增大,并聯(lián)型發(fā)電系統(tǒng)由于冷卻塔內(nèi)排熱量較少,且回熱量較多,系統(tǒng)熱效率最高。從不同發(fā)電系統(tǒng)的對比中凝練了高效超臨界水煤氣化發(fā)電系統(tǒng)的基本集成原則是:優(yōu)化氣化產(chǎn)物顯熱和成分利用方式,將系統(tǒng)輸入能量更多地引向聯(lián)合循環(huán)。相比于傳統(tǒng)燃煤電站和IGCC電站,并聯(lián)型超臨界水煤氣化發(fā)電系統(tǒng)有效地提高了煤炭的利用能效。在捕集CO_2的高效能源系統(tǒng)集成方面,基于超臨界水煤氣化壓力高及合成氣成分潔凈的基本特征,提出了帶CO_2捕集的分離合成氣以及合成氣直燃型超臨界水煤氣化發(fā)電系統(tǒng),分析了系統(tǒng)的基本特性規(guī)律和熱力學性能。針對合成氣直燃型發(fā)電系統(tǒng),結(jié)合系統(tǒng)能量平衡和(?)平衡,采用圖像(?)分析法研究了關(guān)鍵過程的品位特征和能量釋放規(guī)律。結(jié)果表明,CO_2捕集率可達99%的情況下,合成氣直燃型發(fā)電系統(tǒng)熱效率可達到38.3%,性能優(yōu)于帶燃燒前,燃燒后以及富氧燃燒技術(shù)的燃煤電站。在關(guān)鍵過程實驗方面,研制了 H2、CO_2、CO和CH4混合氣體在水中的溶解度測量實驗臺,實際工作壓力可達25MPa,溫度可達180℃。實驗臺可測量寬壓力范圍內(nèi)混合氣體在水中的溶解度,為超臨界水煤氣化能源系統(tǒng)中的管道、換熱器以及超臨界透平等設(shè)備的設(shè)計提供氣液平衡方面的理論參考。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院工程熱物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ546
【圖文】：

Ｃｈｉｎａ逡逑從２０００年至２０１６年，中國煤炭消費總量及其在一次能源消耗中所占比例列逡逑于圖１．１［１＿１３］。從２００７年^u始，煤炭在一次能源消耗中所占比例呈現(xiàn)降低趨勢，逡逑而從２０００年到２０１３年中國煤炭的消費總量在一直升高，２０１３年后煤炭的消費逡逑總量開始逐漸降低。根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒２０１２》，２０１２年中國電力熱力生產(chǎn)逡逑行業(yè)煤炭消費占煤炭總消費量的３１．８１％，雖然中國火電廠平均發(fā)電效率由１９７８逡逑年的２８．３％提高到２０１４年４１％［１４］，其余６８．１９％的煤炭用于金屬冶煉、化工生產(chǎn)、逡逑第１頁共１１２頁逡逑

超臨界水是指溫度和壓力高于臨界點（３７４．３°Ｃ，２２．１ＭＰａ）的水。水的密度、逡逑介電常數(shù)和電離度等參數(shù)隨溫度和壓力的變化而發(fā)生改變，在臨界點附近變化非逡逑常劇烈［５２］，如圖１．２所示。超臨界水的介電常數(shù)遠低于常態(tài)水的介電常數(shù)，氫鍵逡逑的數(shù)量和穩(wěn)健性大幅度降低［２１］，從而對有機物的溶解度增加，對無機鹽的溶解逡逑度降低，表現(xiàn)出有機溶劑的特性，使得煤從傳統(tǒng)氣化工藝的非均相反應(yīng)轉(zhuǎn)為在超逡逑臨界水里的均相反應(yīng)，消除了相間傳熱傳質(zhì)阻力，強化反應(yīng)過程［＆２４］。當溫度和逡逑壓力接近超臨界點，水的離子積是常態(tài)水的１0３倍，因此，在特定條件下，致密逡逑高溫水是有機成分發(fā)生酸基或堿基催化反應(yīng)的有效介質(zhì)。但當溫度和壓力超過超逡逑臨界點，水的離子積迅速下降，不利于離子反應(yīng)［２１］。逡逑第３頁共１１２頁逡逑

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