费托合成尾气燃料电池发电系统模拟与分析

费托合成尾气富含氢气、一氧化碳和甲烷等组分,热值达到17 MJ/Nm~3。本文根据费托合成尾气组成特点,提出将其用于高温燃料电池发电,并设计了费托合成尾气燃料电池发电系统流程。利用Aspen建立了费托合成尾气燃料电池发电系统模型,模拟结果表明:每标方费托合成尾气可发电约2.9度,系统发电效率达到60%以上,远高于常规的同等规模燃气发电系统效率(约30%～43%),是一种费托合成尾气高效利用方式。     

合成气甲烷化过程热力学分析

以化学热力学为基础,利用FactSage软件对2种典型的煤气化合成气甲烷化反应过程进行了热力学计算和分析。研究了合成气的组分、氢气的配比、反应温度、压力等条件对甲烷化过程的影响,特别是氢气的配比研究,区别于常规对H_2/CO分析而是以氢气的理论配比H_2/(3CO+4CO_2)进行分析。结果表明:反应器操作压力对甲烷化过程的影响不明显,合成气的组分、氢气的配比、反应温度的选择对甲烷化过程的影响较大。得出:合成气甲烷化过程应采用多段反应器,最终控制温度为(300~350)℃;操作压力一般为(3.0~3.5)MPa;H_2的配比采用理论配比时生产出的CH_4浓度高。     

管式SOFC数学模型及系统性能分析

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效低污染的新型能源。该文基于物质和能量守恒并耦合流体流动、热量产生和传递以及电化学知识建立了以天然气为燃料的管式固体氧化物燃料电池的数学模型,对模型进行求解,并分析系统参数(电流密度、工作压力、燃料的摩尔流量等)对系统性能(发电量、发电效率等)的影响。结果表明:SOFC系统的发电效率可以达到50.73%。通过增加单电池个数来减小电流密度可以增加系统发电量和发电效率,但是会增加系统投资;增大燃料电池的工作压力可以改善系统的性能;而增加燃料的摩尔流量(燃料利用率不变)会使系统的发电效率降低。     

原位脱碳流化床煤气化反应器的数值模拟

为了减少温室效应,对于煤气化过程中CO_2的减排与零排放技术的研究成为必要。本文建立了全面的煤气化反应器的数值模型,对以CaO作为吸收剂的原位脱碳的流化床煤气化反应器进行了数值模拟。模拟以简化结构的二维反应器为求解域,应用标准k-ε模型描述气相湍动,EDC模型描述反应器中湍流与反应的偶合,EDC模型将详细的化学动力学融入到湍流混合中。讨论了反应器中温度、气速、压力及气体产物的分布。     

醇胺法解吸塔优化设计及解吸特性分析

现阶段醇胺吸收法捕集CO_2技术的工程应用范围最广,解吸塔能耗是醇胺法耗能主要来源。本文以胜利电厂100吨/天CO_2捕集工程为研究对象,基于Aspen Plus建立了解吸塔工艺模型,分析了各层塔板参数的变化规律;运用模块分析工具,进行了灵敏度分析,优化得出最优理论板数;最后基于解吸塔理论板数的结构优化设计,分析了吸收液流量、再沸器热负荷及贫液负载率对解吸特性的影响。     

质子交换膜燃料电池系统多目标优化

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有操作温度低、能量密度高、稳定性好等优点,是一种具有广泛应用前景的发电装置。本文以PEMFC系统发电效率最大和总成本最小为同步优化目标,以电流密度、系统操作压力、空气及氢气化学计量数为操作变量,建立该系统的多目标优化模型。提出基于拥挤度排序的多目标列队竞争算法（MOLCA-CDS）求解该模型,得到优化目标的Pareto最优前沿。实例计算结果表明,所提出的方法可得到分布均匀的Pareto最优解集,且优化结果能够完全支配文献中采用其它方法的优化解。本文所提出的方法可为PEMFC系统的设计与操作优化提供参考。     

多元料浆气化流程建模及分析

多元料浆气化技术(MCSG)是能源化工领域中煤炭清洁利用的新技术,主要用于合成氨、合成甲醇等基础化工原料工业以及燃料、制氧行业.化工流程模拟在化工过程的开发设计、挖潜改造、节能增效和生产指导方面是1种科学高效的研究方法.本文对多元料浆气化流程建立了流程模拟模型,并对操作参数和工艺条件变化时的情况进行了模拟分析.本文利用所建模型对1个年产15万吨合成氨和15万吨甲醇的煤气化流程进行了模拟,粗煤气中有效气体H2和CO误差分别为0.35%和1.49%,其他各组分误差一般也低于1%～2%.模拟结果验证了煤气化流程模型能准确的反映生产实际情况.此外,由于洗涤塔的操作参数将影响出口的粗煤气中的有效气体H2和CO的组成,本文分析了出洗涤塔操作参数对粗煤气中有效气体(H2和CO)流量的影响,当温度压力以及入洗涤塔工艺冷凝液分别变化10%时,有效气体变化分别为6.896e,1.7‰和0.16%,并提出了相应的调控策略.     

尿素水解系统的模拟与分析

结合NH₃-CO₂-Urea-H₂O（ACUW）体系扩展型UNIQUAC气液平衡模型、经验型液相焓值模型以及尿素水解反应动力学模型,建立了针对尿素水解系统的过程模拟数学模型并实现模拟计算,模拟结果能较好地描述尿素水解装置的实际情况。借助模拟程序分析了蒸汽流量、操作压力及进料组成对尿素水解系统的出气氨水比、排液氨含量的影响,可为企业的操作优化、节能减排提供理论指导和参考。     

不同注气压力下CO2驱替置换CH4试验研究

现有的CO_2驱替置换CH_4研究大多针对微观的注气驱替机理和宏观的驱替置换效率影响因素方面,且多为模型层面的理论分析或模拟试验层面的多因素分析,具有针对性的物理模拟试验及量化分析较少。针对上述问题,利用注CO_2气体驱替煤层CH_4试验系统,研究了不同注气压力下的驱替过程中煤体内CO_2驱替CH_4的渗流扩散演化规律和时变特性,分析了全过程中出气口CO_2、CH_4浓度、累计CH_4驱替量及驱替置换比等方面的变化规律,利用物理模拟试验探究注气压力对驱替置换效率的影响规律,并进行了量化分析。试验结果表明:(1)不同注气压力下的CO_2、CH_4气体浓度变化趋势基本一致,可划分为原始平衡阶段、动态平衡阶段和新平衡阶段3个阶段,随着注气压力依次增大,CO_2、CH_4气体打破原始平衡阶段的时间逐渐缩短,动态平衡阶段时间增加,而新平衡阶段的时间大致相同。(2)不同注气压力下,累计CH_4驱替量随着注气时间的增加而增加,增加速率先快后慢,最终趋于定值。注气压力由0.6MPa升至1.4MPa,累计CH_4驱替量增加,驱替置换比由4.99降至4.10,即驱替置换单位量CH_4所需吸附的CO_2量减少,驱替置换效率提升。注气压力为1.4MPa时驱替置换比最小,驱替效率最好。该结论可为低渗透性煤层开展CO_2-ECBM相关技术理论研究及现场技术实施中注气压力参数的选取提供参考。     

湿法脱硫的模拟分析与pH调节

运用流程模拟软件ASPEN PLUS模拟了湿法脱硫脱除水煤气中H_(2)S的工艺过程,水煤气、脱硫液组成和操作数据均来自实际装置。对建立模型涉及到的模块选取、主副反应、物性方法选择以及工艺参数输入等方面进行了介绍,给出了脱硫过程中脱硫液的Na_(2)CO_3、NaHCO_3、副盐含量以及pH值的定量变化规律。对脱硫液pH值调节过程进行研究,提出了采用NaOH代替Na_(2)CO_3为碱源的pH值调节方案,有利于减缓脱硫液总碱度的增加。     

甲烷部分氧化合成燃气过程能量耦合工艺的研究

从反应温度、压力和进料量(CH_4、CO_2、H_2O和O_2)等6个变量中固定任意5个,优化剩下的一个变量的方案,研究甲烷部分氧化合成燃气含水蒸气、二氧化碳重整的能量耦合工艺(即平衡时体系的热效应为零)。建立为能量耦合的双层优化模型,即内层通过求解吉布斯自由能的最低限度得到平衡组成;外层通过改变进料组成实现体系的能量耦合。结果表明:0．1 MPa下反应体系的最佳操作温度范围为1 050～1 150 K;固定其他条件,总可通过优化O_2的量使反应体系实现能量耦合,且平衡时加入的O_2可以反应完全;平衡组分中H_2/CO比值主要取决于进料中H_2O/CO_2比值,与O_2量关系不大;另外还得出了能量耦合时变量间的关系和消炭条件。石英管反应器的热中性温度下的实验结果与本文计算结果基本一致。     

吸附强化乙醇水蒸气重整制氢工艺分析

以CaO为吸附剂,利用Aspen Plus对吸附强化乙醇水蒸气重整制氢工艺进行了模拟,结果显示,当乙醇进料量为100kmol/h,水醇比为6,CaO进料量为200 kmol/h,反应温度和压力分别为500℃、1 atm时,所得产品气中H_2量为579.19 kmol/h,CO_2和CO量均小于0.001 kmol/h,氢气摩尔含量达99.1%,CH_4摩尔含量小于1%,模拟结果与文献实验值吻合较好。在此基础上,对CO_2吸附强化前后效果进行了讨论,结果表明,经吸附强化后的乙醇水蒸气重整工艺较传统工艺所得重整气中H2含量提高116%,CH_4、CO_2和CO等摩尔含量降低至接近于零。讨论了重整反应温度、水醇比及CaO用量对产品气组成影响,得出,吸附强化使得重整反应可在较低温度条件下进行,减少了能源消耗;当水醇比为8,CaO量与乙醇进料量之比为2时,CH_4、CO_2和CO含量趋近于零,H_2含量接近于1。分析了不同水醇比下该工艺所需外加水量,得出,在较高的水醇比条件下,外加水量占重整反应器进料水量的比例较低,而循环水占有较大比例。     

水煤浆气化装置水洗过程的建模与优化

煤气化技术的发展不仅提高了煤炭的高效清洁综合利用,同时也减小了煤直接燃烧造成的环境污染.煤气化过程的建模与优化具有十分重要的现实意义.本文基于化工分离技术,建立了水煤浆气化装置水洗过程的模型,并实现了流程模拟.模拟结果与实际工业过程数据相符,模型具有一定的精度.通过灵敏度分析,考察了变换冷凝液的流量和温度,水洗塔出口压力,进口粗合成气的温度、压力、负荷等关键操作参数对出口合成气水汽比的影响.分析结果表明,合成气中的水汽比随着变换冷凝液流量的增加而减小,温度的升高而增加;进口粗合成气对水汽比的大小影响较大,流量越大、温度越高,则水汽比越大;而水洗塔出口压力对水汽比的影响较小,随着压力增加水汽比有一定的减小.根据灵敏度分析的结果,对水煤浆气化装置进行了工艺操作参数的优化,提高了合成气中的水汽比,使之更利于后续工段的生产.     

PEMFC发电系统的自适应模糊控制与动态分析

监测和控制燃料电池的过程中,需要获得各种实时数据.质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电系统中的参数强耦合、高度非线性特性增加了对其控制的难度,传统的PI控制虽然对模型精确的系统有较好的控制效果,但对于参数波动的系统则无法获得较高的控制性能.针对以上情况,基于PEMFC发电系统的动态仿真模型,根据重整器在燃料电池发电系统中的作用,设计了自适应模糊控制器.利用模糊控制规则在线控制氢气摩尔流,从而控制PEMFC发电系统的输出功率.仿真结果表明,该动态模型能够预测输出电压.响应曲线显示出自适应模糊控制算法能够较好控制燃料电池有功和无功功率的输出.模型具有良好的负载跟踪特性.     

真空变压吸附捕集烟道气中二氧化碳数值模拟研究

影响真空变压吸附(VPSA)过程因素很多,且为一组复杂的非线性关系,为实验研究带来了困难与挑战。本文在文献[11]所提出数学模型基础上,研究了进料温度和进料浓度对分离性能的影响,并通过模拟将机械控制改为机械控制与条件控制连用,分离性能得到明显提高。研究结果表明,CO_2回收率升高的同时纯度会有所下降,吸附剂生产能力随着进料温度的升高而下降,随着进料浓度的升高而升高,加入条件控制后,CO_2回收率为99%,纯度达到56.5%,吸附剂生产能力为0.252 kg CO_2/(kgads·h)。     

基于ARM和CAN总线的PEMFC氢能电站监控系统设计

氢能发电具有发电效率高、环境友好、无污染、无噪声等优点,成为继火电、水电、核电之后的第四代发电方式;PEMFC(质子交换膜燃料电池)氢能电站则是最佳的移动装备电源和建筑物备用电源,设置自动化监控系统是保证电站安全可靠运行的重要措施;介绍了氢能发电系统原理与结构,设计并实现了基于ARM技术和CAN总线技术的PEMFC氢能电站监控系统,运行测试结果证实系统稳定可靠,操作简便,满足氢能电站运行需要.     

基于MATLAB的光伏模块通用仿真模型

基于光伏模块的数学模型,在Matlab仿真环境下,开发了光伏模块通用仿真模型.利用该模型,可以模拟实际光伏模块产品在不同太阳辐射强度、环境温度下的P-V和I-V特性.此外,该模型还融合了最大功率跟踪(MPPT)功能,可直接用于光伏发电系统的动态仿真,仿真结果证明了所建模型的合理性.     

超临界二氧化碳与异丁醇二元体系气液相互溶解度模型的研究

采用可变体积可视观察法测量装置,测定CO_2与异丁醇在40℃-80℃温度范围和不同压力下的平衡数据。研究高压状态下CO_2在液相中的溶解度和异丁醇在气相中的溶解度模型,以改进亨利定律和Chrastil半经验溶解度方程,提出适合于高压下CO_2与异丁醇二元体系的相互溶解度模型,其中CO_2在液相中的溶解度可用4次多项式模型关联,其形式为:P_(CO_2)=A+B_1·x~(CO_2)+B_2·x_(CO_2)~2+B_3·x_(CO_2)~3+B_4·x_(CO_2)~4。异丁醇在CO_2中的溶解度可用改进的Chrastil半经验溶解度方程模拟,其形式为C=p~k·exp(α/T)+b。结果:所提出的气相溶解度方程和液相溶解度方程与试验数据非常吻合,拟合相关系数和精度较高。     

基于砷化镓电池的聚光光伏发电系统

针对光伏发电系统中太阳能利用率低的问题,设计了一种基于砷化镓(GaAs)电池的聚光光伏(CPV)发电系统;该系统由聚光发电模块、太阳跟踪模块和逆变模块组成;聚光发电模块采用菲涅尔透镜400倍聚光以后照射在1Cmz的砷化镓电池上,实现发电功能;太阳跟踪模块由云台和光电传感器组成,保证太阳光基本垂直通过菲涅尔透镜,逆变模块将砷化镓电池发出的直流电转换成交流电;经过测试.该系统太阳能转换效率达到20.2%,逆变部分实现了直流变交流功能.     

煤制气托普索甲烷化工艺热力学分析

利用化工流程模拟软件Aspen Plus,对煤制气托普索甲烷化工艺第一级带循环回路的反应系统进行了模拟研究。考察了在恒温条件下,反应器的温度、压力、循环比、水蒸气比对反应器出口甲烷含量和热负荷的影响:在绝热条件下,反应器的压力、循环比、水蒸气比对反应器出口温度和甲烷含量的影响。结果表明,在恒温条件下,除循环比外各因素对甲烷平衡含量都有影响,其中温度影响较大,温度越高,甲烷平衡含量越小;在绝热条件下,各因素对反应器出口温度和甲烷平衡含量都有影响,其中循环比影响较大,循环比越大,反应器出口温度越低,甲烷平衡含量越大,通过虚拟正交实验研究,得到各因素对反应器出口温度和甲烷含量的影响大小顺序为:循环比水蒸气比压力。