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、能源是促進社會經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),從中國能源格局來看,現(xiàn)今及未來煤炭仍將占據(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、污染重等缺點而面臨著環(huán)保節(jié)能的嚴峻挑戰(zhàn)。因此,高效、清潔地利用煤炭資源是緩解我國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)廢熱能級高,能與燃氣輪機-蒸汽輪機進行聯(lián)合發(fā)電,系統(tǒng)能源利用效率高,深具研究價值。
　　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,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,對關(guān)鍵部件進行特性分析,并對IGFC系統(tǒng)進行了效率計算及重要參數(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,詳細結(jié)論如下:
　　(1)在給煤量固定的情形下,改變進氣量,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,轉(zhuǎn)折點的給煤比為0.57。給煤比對燃燒室溫度毫無影響;
　　(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,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,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,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)升高進氣溫度可減小過電勢從而提高電壓輸出。但隨著進氣溫度的增加,輸出電壓的增加幅度逐漸減小,同時高溫將帶來諸多不利影響,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)通過改變進煤量來研究電池的調(diào)

5、峰谷性能,由分析可知,進煤量增加時,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)量守恒原理驗證模型的合理性,并計算系統(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)下運行,引入燃-蒸聯(lián)合循環(huán)裝置,搭建IGFC/CC系統(tǒng),對系統(tǒng)各部件發(fā)電量與發(fā)