论文摘要
节约和合理利用能源,降低能源消耗,提高能源利用效率,既是中国缓解能源供应紧张的重要措施,更是提升经济增长质量、创新发展模式的重要手段。构建资源、能源和环境的可持续发展多联产系统,是提高资源利用效率和减少废弃物排放的有效途径。本文依托国家自然科学基金重点资助项目,开展天然气基热力循环与化工过程系统集成整合原则、合理匹配关系的研究,旨在提出甲烷CO2转化反应与天然气基化工动力多联产系统集成的理论规律,开拓新颖的天然气基CO2准零排的热力循环系统,以及开拓天然气基化学品生产(甲醇或二甲醚)与热功转换有机整合的多联产系统,并研究上述创新流程内在作用机理和系统特性。本文主要内容如下：首先,基于对甲烷转化成合成气过程中转化反应条件对甲烷转化率和吸收所需能量品位的影响规律的研究,提出在甲烷CO2转化反应中提高CO2与甲烷的转化反应的物质的量比,可以达到两个目的,一是可以提高甲烷的转化率,降低CO2与甲烷的转化反应热源的温度,吸收更多低品位热,提高系统的热集成度。二是可以提高合成气中的CO的含量。因为在相同的条件下,富CO气体比富H2气体能够释放出更多的热量,使动力侧的热功转化效率提高。将CO2的甲烷转化反应与O2/CO2循环结合,不仅可以获得系统的能量高效利用,而且可以进一步整合系统的碳氢资源转化与利用,以及实现CO2的捕集,形成构建新型动力循环和化工动力多联产系统的有效途径。本研究提出了一个由天然气CO2转化化学回热动力循环和氨吸收式制冷循环构成的新型CO2和NOx准零排放的02/C02热力循环系统。该热力循环采用天然气CO2转化化学回热,回收较高温度的燃气透平排气热量,采用氨吸收式制冷循环回收较低温的排气热量,并用产生的冷量作透平进气冷却。利用图式(?)分析工具EUD,本文剖析了CO2转化的化学回热和排气余热制冷用于透平进气冷却等过程对系统低品位能量的(?)再生作用,揭示了高效天然气动力转化系统能量集成的热力学原理。探讨了该循环的热力学性能及其影响参数,考察了循环压比和进气冷却温度对系统循环的影响规律。针对甲醇与动力多联产系统,本研究首先构思和设计了一种新颖的甲醇与动力多联产系统。通过分析二段联合转化甲醇工艺和化学回热动力循环,提出了甲醇动力多联产系统的关键集成要素,探讨了系统关键因素对多联产系统性能的影响规律,并运用图式炯分析工具EUD对新系统的能量的利用状况进行分析,从而揭示出高效天然气基甲醇动力多联产系统能量集成的热力学原理和多联产系统组分转化与能量转换利用之间的耦合机理。同时,本研究还提出了一种新颖的回收CO2的甲醇与动力多联产系统。研究了系统关键因素对多联产系统性能的影响规律,说明了高效天然气基甲醇动力多联产系统能量集成,清洁能源生产与CO2分离的集成方法。针对二甲醚与动力多联产系统,本研究首先基于对天然气基二步法合成二甲醚工艺和化学回热动力循环的分析,构思和设计了两种二步法制二甲醚工艺的动力多联产系统,并分析了新系统的能量利用状况。同时,本研究还提出了两种新颖的一步法制二甲醚工艺与动力多联产系统。通过分析合成气碳氢比和CO2对一步法制二甲醚的影响规律,提出了天然气基一步法制二甲醚动力多联产系统的关键集成要素。