煤基多联产系统的全生命周期评价及关键问题研究

摘要

近年来，我国经济快速发展对能源的需求急速增加，煤炭生产与利用的快速增长为社会经济持续发展做出了巨大贡献，同时也导致了严重的环境问题，并引发了一系列的社会经济问题。开发对煤炭资源清洁高效转化的新一代煤利用技术对我国社会经济的进一步发展具有极其重要的意义。
　　 煤基分级转化多联产是新一代煤炭转化利用技术的代表，将煤利用的多个工艺作为一个整体考虑，将整体效率最优化，从而实现煤炭高效低污染利用。多联产系统理论缺乏全面和深层次研究，还没有形成完整的理论体系，相关理论研究滞后于工程应用发展。除了电力之外，多联产系统的一次产品还主要包括裂解气化生成的半焦和低热值煤气及合成气。为了提高系统的总体效益，半焦的综合利用，和低热值煤气及合成气的燃烧就成为煤分级利用多联产技术发展的两个关键问题。
　　 本文系统地对煤基分级转化多联产系统及各项先进的煤利用技术从资源、环境和经济效益等方面进行全面的评估。对象包括:超超临界煤粉炉(PC)发电技术、整体煤气化联合循环发电技术(IGCC)、循环流化床(CFB)发电技术、循环流化床(CFB)分级转化发电技术、超超临界煤粉炉(PC)分级转化发电技术。结果表明，IGCC技术具有十分清洁高效的特点，但是投资成本高。直接燃煤技术投资少，但对环境的影响较大。煤的分级转化技术则实现了在充分提高能量效率的基础上，对污染物的排放也得到了非常有效的控制，并且投资成本仅有小幅度的提高，有利于推广和商业化运作，具有很好的应用前景。
　　 对于半焦的综合利用，本文以我国典型褐煤为原料，利用裂解提质得到的半焦制备了高品质水煤浆，浆体浓度均超过65％，且具有“剪切变稀”的流变特性及良好的稳定性。傅里叶红外光谱对样品的测量结果显示，随着裂解温度的提高，样品亲水性含氧基团减少，褐煤的成浆性能得到了显著的改善。
　　 低热值煤气及合成气的燃烧方面，本文采用试验测量与数值模拟结合的方法研究了低温等离子体中的O3活性分子对合成气燃烧的强化作用和机理。实验建立了以热流量法为核心的燃烧测试平台，准确测量火焰传播速度的变化，最小误差0.478 cm/s，平均误差＜1cm/s。此外，我们搭建了GRI-Mech3.0+Ozone、USC Mech(Ⅱ)+Ozone和Davis H2/CO-O3三种臭氧强化燃烧的机理，对合成气的一维绝热层流火焰进行了数值模拟，并与试验结果进行了对比分析。研究结果表明，O3对合成气火焰有显著的强化作用，强化效果随臭氧浓度的升高呈接近线性的提高，而且O3在贫燃与富燃区域对火焰的强化效果比速度峰值附近更为显著。O3能够加速支链反应，提高自由基的浓度，从而提高火焰传播速度，对合成气燃烧进行强化。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．1．1 世界及中国的能源背景

1．1．2 煤的战略地位及作用

1．1．3 煤的清洁高效利用技术

1．2 煤的分级转化多联产系统

1．2．1 煤基多联产的发展现状

1．2．2 以发电为主的煤裂解气化分级转化多联产技术

1．3 全生命周期评价方法

1．4 煤部分裂解、气化分级利用多联产技术关键问题

1．4．1 多联产半焦的综合利用

1．4．2 低热值煤气及合成气的燃烧

1．5 本文研究内容及结构

2 全生命周期评价方法

2．1 全生命周期评价方法定义

2．2 全生命周期评价方法的技术框架

2．3 全生命周期评价的目标和范围确定

2．4 全生命周期评价清单分析

2．5 全生命周期影响评价

2．6 全生命周期评价的发展和研究现状

2．6．1 全生命周期评价的研究现状

2．6．2 电力系统中的全生命周期评价

2．7 全生命周期评价软件GaBi 4．0

3 煤的分级转化及先进燃烧气化发电技术的全生命周期评价

3．1 煤先进燃烧和气化技术的LCA模型

3．1．1 研究目标和主要内容

3．1．2 研究对象

3．1．3 研究边界

3．1．4 研究的输入数据及来源

3．1．5 全生命周期评价(LCA)GaBi模型

3．2 全生命周期评价的煤炭转化单元

3．2．1 超(超)临界循环流化床发电机组

3．2．2 超(超)临界煤粉发电机组

3．2．3 煤裂解气化分级转化发电系统

3．2．4 整体煤气化联合循环发电系统(IGCC)

3．2．5 煤炭转化单元计算结果

3．3 全生命周期评价的结果与分析

3．3．1 能量效率

3．3．2 环境影响

3．3．3 投资成本

3．4 煤基分级转化多联产系统的LCA结果与讨论

3．4．1 煤基分级转化系统的硫、氮氧化物排放

3．4．2 煤基分级转化系统的雾霾颗粒物排放

3．5 本章小结

4 裂解半焦的综合利用

4．1 褐煤水煤浆的研究现状

4．1．1 国外对褐煤水煤浆的研究现状

4．1．2 国内对褐煤水煤浆的研究现状

4．2 煤样及焦样的制备、分析和试验方法

4．2．1 煤样的制备

4．2．2 焦样的制备

4．3 浆体的制备和分析方法

4．3．1 浆体的制备

4．3．2 浆体的粘度和流变特性测量

4．3．3 浆体的稳定性测定

4．3．4 煤样的表面官能团测量

4．3．5 煤样的孔隙结构测量

4．4 实验结果与分析

4．4．1 裂解对煤质的影响

4．4．2 裂解半焦的成浆特性

4．4．3 裂解半焦水煤浆的流变特性

4．4．4 裂解半焦水煤浆的稳定性

4．4．5 裂解对半焦表面官能团的影响

4．4．6 裂解半焦的孔隙特性

4．5 本章小结

5 低热值煤气及合成气的燃烧测试方法及装置

5．1 合成气燃烧特性的研究现状

5．2 层流火焰速度

5．3 火焰速度的测量方法

5．4 热流量法

5．5 实验装置

5．5．1 热流量燃烧器(Heat-flux burner)

5．5．2 热平衡原理

5．5．3 热流量法测量平台

5．6 热流量法测量平台验证

6 低热值煤气及合成气的燃烧及臭氧强化机理

6．1 臭氧强化燃烧的研究现状

6．2 研究内容和研究对象

6．3 化学动力学模型

6．4 误差分析

6．5 高N2组分合成气的燃烧强化机理

6．5．1 试验工况

6．5．2 化学动力学模型的验证

6．5．3 臭氧对合成气火焰速度的强化

6．5．4 臭氧强化合成气燃烧的动力学机理分析

6．6 高CO2组分合成气的燃烧强化机理

6．6．1 CO2对合成气燃烧的影响

6．6．2 高CO2组分合成气的燃烧强化

6．7 本章小结

7 全文总结

7．1 总结

7．2 本文的主要创新点

7．3 未来工作展望

参考文献

作者简历