煤基合成气固体氧化物燃料电池系统建模及性能分析

摘要

能源是促进社会经济发展的物质基础,从中国能源格局来看,现今及未来煤炭仍将占据着能源消耗量的主导地位。但传统的煤炭利用模式因效率低、污染重等缺点而面临着环保节能的严峻挑战。因此,高效、清洁地利用煤炭资源是缓解我国能源压力的必然出路。煤基合成气固体氧化物燃料电池发电系统(IGFC)废热能级高,能与燃气轮机-蒸汽轮机进行联合发电,系统能源利用效率高,深具研究价值。
　　IG F C发电系统的核心设备为煤气化炉和固体氧化物燃料电池(SOFC),其性能决定着总能系统的发电特性。因此,本文基于Aspen Plus化工过程模拟软件平台,根据质量平衡、能量平衡、相平衡等定律建立部件模型,结合系统建模与性能分析的方法,对关键部件进行特性分析,并对IGFC系统进行了效率计算及重要参数性能分析。
　　利用上述分析方法,研究关键部件的性能分析,详细结论如下:
　　(1)在给煤量固定的情形下,改变进气量,分析粗合成气组分含量与温度随气煤比的变化关系。得出:随着气煤比的增加,有效气总含量先增后减,转折点的气煤比为3.78;
　　(2)固定给煤量及气煤比,改变给煤比,研究粗合成气组分含量与温度随给煤比的变化关系。有效气体总含量随着给煤比的增加呈现先增后减的趋势,转折点的给煤比为0.57。给煤比对燃烧室温度毫无影响;
　　(3)固定给煤量、气煤比、给煤比,改变通入还原室的水蒸汽质量。得出:当汽煤比变化时,有效气含量及燃烧室温度保持不变,还原室温度持续减小;
　　(4)在满足电池内温差上限要求下,最优空气过量系数由平均电流密度决定。当电流密度一定时,随着空气过量系数的增加,电池内最大温差与输出电压均降低;当空气过量系数一定时,随着电流密度的增加,电池内最大温差升高,输出电压降低;
　　(5)升高进气温度可减小过电势从而提高电压输出。但随着进气温度的增加,输出电压的增加幅度逐渐减小,同时高温将带来诸多不利影响,如热膨胀造成的匹配问题。本文中电池工作温度设定在800-1000。。;
　　(6)通过改变进煤量来研究电池的调峰谷性能,由分析可知,进煤量增加时,电池内最大温差下降,燃料利用率也随之下降;但电池输出电压及输出功率增加;
　　(7)充分利用电池排气余热,搭建IGFC-ST系统模型,进行联合循环发电。设定电池工作在常压状态,根据质量守恒原理验证模型的合理性,并计算系统的发电效率,为46.35％,相比较传统的发电方式而言,具有优越性;
　　(8)使电池在增压状态下运行,引入燃-蒸联合循环装置,搭建IGFC/CC系统,对系统各部件发电量与发电效率进行计算及性能分析。系统发电效率随着电池工作压力的升高而增加,但增幅逐渐减小。

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第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.2气化炉研究现状

1.3固体氧化物燃料电池研究现状

1.4 IGFC研究现状

1.5论文主要研究内容

第二章数学模型和子系统建模

2.1建模方法

2.2煤气化子系统模型

2.3合成气净化系统

2 .4平板式固体氧化物燃料电池

2.5燃气轮机-蒸汽轮机联合循环

2 .6本章小结

第三章煤基IGFC发电系统关键部件性能分析

3 .1概述

3 .2气化炉性能分析

3 .3固体氧化物燃料电池性能分析

3 .4小结

第四章煤基合成气固体氧化物燃料电池发电系统性能 分析

4.1 IGFC系统概述

4 .2气煤比对IGFC系统性能影响

4 .3给煤比对IGFC系统性能影响

4 .4汽煤比对IGFC发电

4 .5进煤量对IGFC发电系统性能的影响

4 .6小结

第五章煤基合成气固体氧化物燃料电池混合发电系统

5.1 IGFC-ST联合循环发电系统

5.2 IGFC/CC混合发电系统

5.3 小结

第六章全文总结

6 .1论文总结

6 .2本文创新点

6 .3课题展望

参考文献

致谢

攻读硕士研究生期间已发表的论文