太阳能吸附热力学碳泵循环基础理论与实验研究

摘要

因为二氧化碳对温室效应的负面贡献，气候问题逐渐成为全球关注的焦点。可是能耗问题是制约碳捕集技术大规模应用的重要技术瓶颈。本文从能源利用效率角度提出一种热力学碳泵基础理论，包括有学术思想来源、概念类比、模型循环和基本理论等。在碳捕集领域完善了热力学思想应用层面的构筑，促成了此领域内原有分散的效能研究系统化。其中分离最小功的物理意义是表征分离过程的难易程度，而第二定律效率的物理意义是表征实际过程的能耗距离理想过程耗功的相对程度。然后，将热力学碳泵基础理论应用于现有的碳捕集技术的能耗分析和评价。结果显示既有碳捕集技术案例的第二定律分离效率的计算值均在35%以下。在此基础上，比较了现有二氧化碳分离技术的能效水平，提出了提高能效的可能改进措施。燃烧后碳捕集技术中第二定律效率在15%以上的技术有吸收法、变压吸附(PSA)、变温吸附(TSA)和梯级循环膜分离(RMC)等；效率在10%及其以下的技术有变电吸附(ESA)、深冷分离、梯级循环膜分离(RMC)和新兴碳捕集技术等。在此基础上，提出了碳捕集技术与可再生能源联合应用的减排策略。　　然后，将热力学碳泵基础理论应用在比较两种吸附碳捕集技术的能效水平，分别是真空变压吸附(VPSA)和变压变温吸附(PTSA)。通过分步过程方式在吸附等温线图上呈现两种吸附碳捕集循环。分别分析了四种循环参数和四种部件参数对两种碳捕集技术能效的影响。比较研究发现，循环参数分析中初始烟气中二氧化碳浓度升高，VPSA和PTSA两种技术的第二定律效率都是先升高后下降，效率最大值分别是24.30%和19.09%；然而对于其他三种循环参数的数值增加，它们的第二定律效率都是在减少，且VPSA技术的效率始终优于PTSA技术的效率。部件参数分析中当空压机效率降低时，VPSA和PTSA两种技术的第二定律效率都是在下降，且VPSA技术的效率比PTSA技术的效率高；然而，对于其他三种部件参数的比较分析，都存在着第二定律效率的交叉点。　　其次，在热力学碳泵基础理论指导下，设计并搭建了一套单阶段四步骤的真空变压吸附碳捕集实验系统，用于在系统层面考察吸附技术的能耗。主要分析了二氧化碳浓度、进料流量和各阶段时间等因素对于碳捕集循环的效能特性的影响。研究获得了真空变压吸附(VSA)装置在能源利用方面的性能曲线，在实验工况下使用沸石13X吸附材料的VSA系统的第二定律效率在1.83%到4.27%之间。提高进料气二氧化碳浓度则可以提高捕集过程的第二定律效率，而进料气流量的升高使得效率降低。吸附循环PF和PUR阶段时间的延长可以提高分离过程的第二定律效率，而使得产品纯度降低；FD阶段时间的延长则是降低了分离过程的能源利用效率。　　最后，依据碳捕集技术与可再生能源集成应用的策略，首次提出一种新型太阳能有机朗肯循环辅助燃煤电厂化学吸收碳捕集的整合系统(SOL-ORC-CO2)，并进行了有机朗肯循环(ORC)的工质筛选。基于一座300 MWe燃煤电厂，分析和对比了新系统和其他三个参考系统的技术经济性，技术角度以年发电量和二氧化碳减排量为分析参数，经济角度以年均化发电成本和二氧化碳移除成本为分析参数。新系统的提出实现了太阳能热利用的温度匹配与梯级利用，且相对于传统燃煤电厂碳捕集技术的年总发电量增加了12.1%。以年总发电量和年总二氧化碳减排量两个参数进行考察，新系统在四个系统比较中都处于第二位，具有综合优势。在经济角度，新系统的均化发电成本和二氧化碳移除成本最大。比较结果发现，当ORC价格低于1284.46 USD/kW且集热场价格为120USD/m2的情况下，新系统SOL-ORC-CO2在发电成本方面将会比太阳能辅助碳捕集系统(SOL-CO2)具有优势；当ORC价格继续低于977.63 USD/kW时，新系统在发电成本方面将会比燃煤电厂碳捕集系统(PC-CO2)更具竞争力。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 中国太阳能热利用技术研究进展

1.3 太阳能辅助碳捕集技术研究进展

1.4 吸附碳捕集能耗研究进展

1.5 本文的研究内容

第二章 热力学碳泵基础理论及应用

2.1 学术思想来源

2.2 概念类比

2.3 模型描述

2.4 基本理论

2.5 碳泵理论的应用

2.6 能效提升策略

2.7 本章小结

第三章 基于碳泵循环的VPSA和PTSA吸附技术的比较研究

3.1 吸附剂与吸附等温线

3.2 循环构型

3.3 比较方法

3.4 循环参数比较

3.5 部件参数比较

3.6 本章小结

第四章 基于碳泵理论的真空变压吸附的实验研究

4.1 实验台介绍

4.2 实验部件

4.3 测量设备

4.4 循环设计

4.5 评价参数

4.6 结果与讨论

4.7 本章小结

第五章 太阳能有机朗肯循环辅助燃煤电厂碳捕集系统技术经济性分析

5.1 新系统提出

5.2 工质筛选

5.3 参考系统

5.4 技术分析与比较

5.5 经济评价与比较

5.6本章小结

第六章 结论、创新点与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢