毕业论文（设计）中温太阳能驱动甲烷化学链重整冷热电系统及性能研究

1、中温太阳能驱动甲烷化学链重整冷热电系统及性能研究摘 要 针对高温太阳能与天然气热化学互补分布式能源系统存在聚光比高、互补反应温度高、变工 况性能不稳定的技术瓶颈，本文探索了一种能实现主动调控的屮温太阳能与天然气互补的化学链重整 冷热电联产系统。利用约500°c太阳热能驱动夭然气基氧化银化学链重整，生成合成气太阳能燃料, 通过燃气轮机冷热电联产系统，实现中温太阳能与天然气综合梯级利用。研究结果衣明：在设计点工 况条件下，系统的总能效率可达到80.9%,太阳能集热而积节约率达到53.2%,太阳能净发电效率可 达27.3%。分析了关键参数如nio和甲烷摩尔比(ni/c)和太阳辐照强度(dn

2、i)对系统热力学性能 的影响。关键词甲烷；化学链重整冷热电系统；中温太阳能an alysis of combi ned cooling, heating and power gen eratio n system based on methanechemical looping reforming driven by mid-temp solar energyfan jun-mingl2, hong hui1, zhang hao1'2, jin hong-guang1(1 institute of engineering thermophysics, chinese academy

3、of sciences, beijing100190, pr china2. university of chinese academy of sciences, beijing 100049, pr china)abstract in order to deal with the bottlenecks associated with the energy utilization within high-temp solar hybrid methane combined cooling, heating and power system, i.e. high concentration r

4、atio, high reaction temperature and unstable condition, a novel concept by combined cooling, heating and power generation system based on methane chemical looping reforming driven by mid-temp solar energy is explored and analysed in this system, the energy required for driving chemical looping refor

5、ming of methane with nio is originated from mid-temp solar energy at approximately 500 °c. and the chemical energy of methane and solar energy are together converted inlo chemical energy contained in syngas the energy contained in syngas is further utilized for combined cooling, heating and pow

6、er generation, fulfilling the aim of cascade energy utilization of methane and solar energy. according to the results, it shows the total energy efficiency of this novel system can be reached at 80.9%, and the solar area saving ratio can be maximized to be 53.2%, simultaneously the solar-to-electric

7、ity efficiency can be optimized to be 27.3% at the designed condition. finally, iwo key parameters including nio-to-methane ratio and direct solar radiation (dni) are investigated key words methane; chemical looping reforming; cchp; mid-temperature solar energy0前言冷电热联产(combined cooling, heating and

8、power, cchp)是以满足用户不同需求 的一种分布式能源系统。冷热电联产系统具有较高的一次能源利用率，主耍遵循吴仲华 先生提出的“温度对口，梯级利用”的基木原则，利用高温热源进行发电，屮温热源进行 收稿时间：基金项目：国家白然科学重点基金资助项目(no.5123600x)作者简介：作者简介：范峻铭(1989-),男，博士研究生，主要从事化学链燃烧等方向的研究工作。 通讯作者：洪惹，博士、研究员，honghui制冷，低温热源用以产热，以此实现能量的综合梯级利用lo前人在甲烷和太阳能互补的综合能源利用领域做出了重要贡献，其屮一个研究热点 聚焦在高温太阳能提供甲烷蒸汽重整过程所需的反应热，以此

9、达到甲烷和太阳能互补利 用的目的2,3。然而，甲烷蒸汽重整温度维持在900°c左右，反应所需热量只能由塔 式或碟式的高焦比的腔体式太阳能吸收反应器提供。但对于高焦比的聚光集热反应，不 仅吸收反应器面临非均匀聚光能流密度分布对反应器的影响，而且塔式或碟式太阳能吸 收反应器面临一些技术开发风险和高昂的初期投资。我们以往研究提出了中温a阳能与化石燃料热化学互补方法及发电系统4-6o以 往研究提出了利用约300°c太阳热与甲醇裂解互补的联合循环系统。太阳热能提供甲醇 裂解过程所需反应热，低品位的太阳热能通过裂解反应提高为高品位的合成气化学能, 随后在燃烧室中高温释放，太阳能净发电效

10、率达35% 4。随后，从太阳能与化石燃料 互补控制温室气体排放角度出发，探索了太阳能与天然气化学链燃烧结合的发电系统 51 o利用约500 °c太阳热驱动天然气基氧化镰化学链燃烧还原反应，太阳热能品位通 过还原反应提高至还原态氧载体ni的品位，随后在化学链燃烧氧化反应过程高温释放 (1200 °c)o为了拓展中温太阳能热化学应用，我们还研究了太阳能与二甲瞇互补的化 学链燃烧冷热电联产系统6o然而，采用二甲瞇或甲醇等二次燃料作为原料气仍需耍 复杂的化工合成过程，同时燃料化学能和太阳能储存在还原态固体氧载体，不利于下游 分布式系统的匹配。因此，在本团队以往研究成果基础上，本文进

11、一步探索了一种基于甲烷和太阳能互 补的冷热电联产系统。甲烷在中温太阳能驱动下转变为合成气，再依次通过燃气轮机、 澳化锂制冷装置和换热设备实现冷热电联产。分析设计工况下系统热力性能，探索关键 参数如氧化線甲烷摩尔比(ni/c)和太阳能辐照强度(dni)对系统性能的影响。i系统构思 1.1流程描述图1显示了基于化学链重整甲烷中温太阳能互补的冷热电联产系统，系统主耍分为 三个部分：(1) 化学链重整还原过程：当太阳光充足时，釆用聚光比约为80的槽式集热器聚 集中温太阳光作为热源，为天然气基-氧化鎳在约500°c下的吸热反应供热，还原过程 发生的反应式为ch4+nio=co+2h2+ni 。

12、当太阳光不充足时，采用透平余热提供反应过程所需热量，以此实现系统的可靠和 稳定运行。除此z外，当冷热电负荷发生变化时，通过调整系统关键运行参数实现主动 调控。生成的合成气通过pdag氢气选择性透过膜促进氢气生成率和甲烷转化率7o 在此过程，中温太阳能和甲烷化学能储存在合成气化学能和固体ni中。(2) 化学链重整氧化过程：生成的还原态氧载体ni在氧化反应器内被空气重新氧 化，发生的化学反应为ni +0.502二nio。氧化过程释放的热量利用过量冷空气进行回收， 反应温度设定为1000°c,反应压力设定为5bar。氧化过程生成的高温烟气通过后续的冷热电联产过程进行梯级利用。（3）分布式供

13、能子系统：生成的合成气首先在燃气轮机中燃烧膨胀发电，釆用冋 热循环预热燃烧室入口压缩空气，冷却后的烟气（约370°c）通过libr制冷机组和换热 器，实现冷热联供。1.2主要特征从系统储能和能源利用的角度，图1所示的流程图有以下几个特征：1）降低甲烷重整平衡温度。如图2所示，传统的甲烷重整过程需要在较高的反应 温度下达到合理的甲烷转化率。本文采用两种方式降低甲烷重整过程的平衡温度。一方 面，在甲烷重整反应器内加入固体nio：化学链重整过程金属氧化物释氧能力高于水蒸 气 更易促进甲烷的重整过程；另一方面，加入膜分离的甲烷重整过程：pdag氢气选 择性透过膜具有边反应边分离的特性，能够促

14、进甲烷重整反应向生成合成气方向移动。2050055c600650反应温度（°c）81() 法芒矣返二一图2三种甲烷重整反应平衡待性2）多能源互补、品位耦合。屮温太阳能供热甲烷重整过程，实现了多能源互补。 系统通过化学反应过程将甲烷的化学能品位降低为合成气的化学能品位，从而减少合成 气燃烧过程的烟损失；除此之外，新系统将太阳热能品位提升至合成气的化学能品位, 实现了低品位能源向高品位能源转换的过程，提高系统的热力性能。3）气体燃料储能，易于与热机匹配。新系统通过化学链重整将太阳能和甲烷的化 学能大部分储存在气体燃料屮，气体燃料可灵活同下游热机进行匹配，増强了系统的适 应性。4）主动调控

15、。用户端冷热电负荷发生变化时，调节系统运行参数（如ni/c或减少 pd-ag氢气选择性透过膜面积）和调节气体储能燃料的流量大小实现主动调控，满足用 户端冷热电用能需求。2典型系统热力性能分析2.1模拟方法本文采用aspen plus软件对上述系统进行模拟计算，选用pr方法作为物性方程。 中温太阳能集热器釆用luz公司设计的ls2型槽式集热器，环境温度収为25°c,导热 介质采用550°c熔盐80化学链重整过程和燃烧过程采用基于gibbs 口由能最小化原 理的rgibbs反应器进行模拟计算。模拟过程忽略系统操作单元散热损失和压力损失， 燃气轮机选用dresser-rand公司

16、制造的kg2-3e型微燃机。制冷单元采用双效淚化锂吸 收式制冷机，其他主要参数如表1所示。表1系统模拟基本参数项目参数太阳能辐照强度化学链重整还原温度600 w/m2500°c化学链重整氧化温度1000 °c膜分离功耗4.97kj/mol ch4 9燃气轮机透平入口温度1000°c压比5燃气透平等爛效率0.88压缩机等爛效率0.88驱动制冷烟气温度370 °c驱动制热烟气温度170 °c制冷温度tc供热温度70 °c2.2评价指标基于文献6,8,采用多个评价指标，具体如下:1）效率指标总能效率（。）_ % + qc + qh _ %+

17、qc + qh/ i、total _ hf+esoi _ hf+i-s（丿式中，ive, qc和qh分别表不系统输出电能，冷能和热能，kw；与和esoi分别表小系统 输入甲烷热值和太阳能，kw; 1和s分别表示太阳能直射辐照强度和太阳能集热面积。太阳能净发电效率（氐加）sol =wsol = %-必 qsol i s式中，qs。/表示太阳能总输入量，kw； %川表示太阳能净发电量，kw； %和分别表 示系统理论发电量和甲烷直接燃烧的参比系统的理论发电量，kwo2）太阳能集热面积节省率（sasr,如式4所示），在输出电能、冷能和热能相同 情况下，太阳能分产系统（%）和新系统（）的太阳能集热面枳差

18、值占分产系统的 太阳能集热面积的百分比。分产系统的电能、冷能和热能分别由槽式太阳能发电系统、 太阳能吸收式制冷系统和太阳能热水系统提供，其中太阳能热电效率为25%,太阳能吸 收式制冷cop为0.7,太阳能热水系统效率为60% 10。3结果分析与讨论3.1设计工况热力学分析本文提出的新系统的核心在于利用屮温太阳能驱动化学反应过程，实现了能量匹配耦合。为比较新系统的热力性能，选取甲烷直燃的冷热电联产系统作为参比系统，通过 模拟分析，得到了设计点的热力性能，如表2所示。表2新系统设计点热力学性能项fi新系统甲烷直燃系统能量（kw） 比例（）能量（kw）比例（）总输入1053.87100.00800.

19、00100.00甲烷800.0075.91800.00100.00太阳能253.8724.0900总输出852.3680.88694.9886.87发电量375335.60305.7238.21制冷量321.3130.49262132.76制热量155.9214.79127.1515.89太阳能净发电效率（）27.34太阳能制冷效率（）23.23太阳能制热效率（）11.33太阳能利用效率（）61.99选取的设计点工况参数如表1所示。由表2可知，太阳能输入所占的份额达到了 24.09%,高于太阳能驱动dme热裂解化学链燃烧冷热电联产系统中太阳能所占的比例 （22.83%） 8o除此之外，系统中温

20、太阳能净发电效率可达27.34%,远高于当前槽式 朗肯循环发电效率（发电效率20%）。相比于甲烷直接燃烧参比系统，新系统太阳能总 利用效率可到61.99%。由此可见，利用屮温太阳能驱动甲烷水汽重整过程具有较好的 热力性能，新系统的多能源互补实现了甲烷化学能和中温太阳能之间的梯级利用，中温 太阳能品位提升为合成气品位，实现了能量的高效利用，从而使新系统热力性能得到提 升。表3显示了新系统相比于太阳能分产系统太阳能集热面积节省情况。新系统的太阳 能集热面积节省率可达53.25%,说明了通过多能源互补有效节约了太阳能利用成本， 增加了技术上的可行性。表3新系统相比于太阳能分产系统太阳能集热面积节省情

21、况新系统太阳能分产系统快11发电系统制冷系统制热系统镜场面积（m?）423.11578.45246.6579.92总输出（kw）157.3869.4159.2028.77电能（kw）69.4169.41冷能（kw）59.2059.20热能（kw）28.7728.77sasr (%)53.25表4给出了新系统的炯平衡分析。由该表可知，炯效率可达到43.64%,其屮输出 功、冷炯和热炯分别占有的比例为38.04%、2.09%和3.51%。反应过程具有最大的炯损失，占输入总炖的34.92%,这是由于化学链重整过程氧化还原过程及燃烧过程产生的 不可逆损失造成的。表4新系统炯平衡分析能量(kj/mol-

22、ch4)比例（）甲烷830.1984.18输入烟太阳能155.9715.82总输入9866100.00反应过程344.3334.92动力过程72.577.36炯损失换热过程42.964.36制冷过程63.546.44制热过程4.100.42排气损失28.292.87总损失555.7956.36输出功37533&04输出炖冷畑20.642.09热炯34.593.51总输岀炯430.3743.643.2参数分析影响新系统性能的参数主要有重整反应器内nio和甲烷的摩尔比（ni/c）、加入重 整反应器水蒸气和甲烷的摩尔比（s/c）和太阳辐照强度（dni）。通过热力学分析得到， s/c对系统性能

23、的影响较小，因此选用ni/c和dni两个参数进行分析讨论。图3-图5分别显示了 dni和ni/c变化对新系统电能、冷能和热能输出的影响。由 图可知，在ni/c 一定条件下，太阳能辐照强度增加会提高新系统冷热电输出量。其中 电能输出受dni变化的彫响最明显,冷能输出其次，热能输出受其变化的影响最不明显。 如ni/c=l时，当dni由600 w/m2提高至1000 w/m2,新系统电能输出、冷能输出和热 能输出分别增加了 47.51 kw、40.46 kw和19.66 kw。太阳辐照强度增加可提高化学链 重整还原过程所需的反应热，促使甲烷转化率和反应温度提高，导致还原过程生成的合 成气显热增加，从

24、而下游的冷热电输出量也随合成气显热增加不断提高。合成气显热增 加促使燃烧室内燃烧过程释放热量增加，需要用以冷却的空气量增加，因此系统输出电 能增加。由此可见，dni变化对系统电能输出的影响尤为显著。另一方面，当dni保持不变时，提高新系统ni/c也会增加系统冷热电能输出量， 但是提高幅度不大。例如，维持dni恒定为600 w/m，时，当ni/c由1.0提高至1.8时， 系统电能、冷能和热能输出量分别增加了 11.6 kw、13.42 kw和6.55kw。由于化学链 重整过程所需的nio氧载体来自化学链重整氧化过程，nio氧载体携带大量固体显热, 因此提高ni/c可为还原过程提供更多的显热。另一

25、方面，ni/c提高会促使生成的合成气中的co和h2转变为co2和h2o （化学链重整还原过程ni/c理论化学计虽比为1）, 可用于燃烧室燃烧的碳氢燃料减少，因此燃烧室内释放热量减少。由于以上两个因素的 共同作用，ni/c增加显示出系统冷热电能输出提高。6006507007508008509009501000dni(w/m2)图3 dni和ni/c变化对电能输出的影响320«006507007508008509009501000dni(w/m2)6006507007508008509009601000dni(w/m2)图5 dni和ni/c变化对热能输出的影响9080706011117

26、6图4 dni和ni/c变化对冷能输出的影响6x)6507007508008509009501000dni(w/m2)图6 dni和ni/c变化对总能效率的影响8078() 4.超遐0图6显示了 dni和ni/c变化对新系统总能效率的影响。由图可见，太阳辐照强度 增加（ni/c维持不变）会降低系统总能效率。如当ni/c=l时，dni从600 w/m2增加至 1000 w/m?使系统总能效率从80.88%下降至78.36%。如前所述，dni增加有益于系统 冷热电能输出，但太阳热能输入量增长速率高于系统能量输已量增长速率，因此系统总 能效率随着dni增加不断减少，但减少幅度有限。另一方面，当系统d

27、ni维持不变时，提高ni/c可明显提高系统总能效率。例如当 dni=600 w/n?时,ni/c由1.0提高至1.8可使系统总能效率由80.88%增长至83.87%, 提高了约3个百分点。由图3-图5可知，提高ni/c可增加新系统冷热电输出量，然而 系统能量输入量保持不变，因此ni/c增加可提高系统总能效率。4结论本文提出了中温太阳能驱动甲烷化学链重整冷热电系统，研究结果表明，该系统在 设计点工况时，系统总能效率可达到80.88%,太阳能净发电效率能达到27.34%o考察 了重整反应器内nio和甲烷的摩尔比(ni/c)和太阳辐照强度(dni)对系统热力学性 能的影响。增加ni/c比例可增加系统

28、冷热电输出，同时系统效率会有所提髙；dni增 加有利于系统冷热电输出，同时太阳能份额也会提高，但系统效率会不断减少。参考文献11 b yan, s. xue, y. li, j. duan, m. zeng, gas-fired combined cooling, heating and power (cchp) in beijing: a techno-economic analysis, renewable and sustainable energy reviews, 63 (2016) 118-131.2| m. bohmen u langnickel, m. sanchez, sol

29、ar steam reforming of methane, solar energy materials, 24 (1991)441-448.3 f. wang, y. shuai, z. wang, y. leng, h. tan, thermal and chemical reaction performance analyses of steam methane reforming in porous media solar thermochemical reactor, international journal of hydrogen energy, 39 (2014) 718-7

30、30.|4| h. hong, h. jim j ji, z wang, r cai, solar thermal power cycle with integration of methanol decomposition and middle-temperature solar thermal energy, solar energy, 78 (2005) 49-58.5 h. hong, h. jin, b. liu, a novel solar-hybrid gas turbine combined cycle with inhere nt co2 separation using chemical-looping combustion by solar heat source, journal of solar energy engineering, 128 (2006) 275-284.|6| e he, t. han, h. ho