煤基合成氣固體氧化物燃料電池系統(tǒng)建模及性能分析.pdf

1、能源是促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),從中國(guó)能源格局來(lái)看,現(xiàn)今及未來(lái)煤炭仍將占據(jù)著能源消耗量的主導(dǎo)地位。但傳統(tǒng)的煤炭利用模式因效率低、污染重等缺點(diǎn)而面臨著環(huán)保節(jié)能的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此,高效、清潔地利用煤炭資源是緩解我國(guó)能源壓力的必然出路。煤基合成氣固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(IGFC)廢熱能級(jí)高,能與燃?xì)廨啓C(jī)-蒸汽輪機(jī)進(jìn)行聯(lián)合發(fā)電,系統(tǒng)能源利用效率高,深具研究?jī)r(jià)值。
　　IG F C發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備為煤氣化爐和固體氧化物燃料電池(SOF

2、C),其性能決定著總能系統(tǒng)的發(fā)電特性。因此,本文基于Aspen Plus化工過程模擬軟件平臺(tái),根據(jù)質(zhì)量平衡、能量平衡、相平衡等定律建立部件模型,結(jié)合系統(tǒng)建模與性能分析的方法,對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行特性分析,并對(duì)IGFC系統(tǒng)進(jìn)行了效率計(jì)算及重要參數(shù)性能分析。
　　利用上述分析方法,研究關(guān)鍵部件的性能分析,詳細(xì)結(jié)論如下:
　　(1)在給煤量固定的情形下,改變進(jìn)氣量,分析粗合成氣組分含量與溫度隨氣煤比的變化關(guān)系。得出:隨著氣煤比的增加,有

3、效氣總含量先增后減,轉(zhuǎn)折點(diǎn)的氣煤比為3.78;
　　(2)固定給煤量及氣煤比,改變給煤比,研究粗合成氣組分含量與溫度隨給煤比的變化關(guān)系。有效氣體總含量隨著給煤比的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì),轉(zhuǎn)折點(diǎn)的給煤比為0.57。給煤比對(duì)燃燒室溫度毫無(wú)影響;
　　(3)固定給煤量、氣煤比、給煤比,改變通入還原室的水蒸汽質(zhì)量。得出:當(dāng)汽煤比變化時(shí),有效氣含量及燃燒室溫度保持不變,還原室溫度持續(xù)減小;
　　(4)在滿足電池內(nèi)溫差上限要求下,

4、最優(yōu)空氣過量系數(shù)由平均電流密度決定。當(dāng)電流密度一定時(shí),隨著空氣過量系數(shù)的增加,電池內(nèi)最大溫差與輸出電壓均降低;當(dāng)空氣過量系數(shù)一定時(shí),隨著電流密度的增加,電池內(nèi)最大溫差升高,輸出電壓降低;
　　(5)升高進(jìn)氣溫度可減小過電勢(shì)從而提高電壓輸出。但隨著進(jìn)氣溫度的增加,輸出電壓的增加幅度逐漸減小,同時(shí)高溫將帶來(lái)諸多不利影響,如熱膨脹造成的匹配問題。本文中電池工作溫度設(shè)定在800-1000。。;
　　(6)通過改變進(jìn)煤量來(lái)研究電池的調(diào)

5、峰谷性能,由分析可知,進(jìn)煤量增加時(shí),電池內(nèi)最大溫差下降,燃料利用率也隨之下降;但電池輸出電壓及輸出功率增加;
　　(7)充分利用電池排氣余熱,搭建IGFC-ST系統(tǒng)模型,進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。設(shè)定電池工作在常壓狀態(tài),根據(jù)質(zhì)量守恒原理驗(yàn)證模型的合理性,并計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)電效率,為46.35％,相比較傳統(tǒng)的發(fā)電方式而言,具有優(yōu)越性;
　　(8)使電池在增壓狀態(tài)下運(yùn)行,引入燃-蒸聯(lián)合循環(huán)裝置,搭建IGFC/CC系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)各部件發(fā)電量與發(fā)