论文总字数：35834字

摘 要

我国是能源生产和消费大国,煤炭发电量占总发电量70％左右，因此清洁高效煤电转化对我国经济可持续发展意义重大。本文用煤炭作原料，将化学链燃烧（CLC）与超临界CO₂循环集成，构建了基于煤炭化学链燃烧热源的超临界CO₂热电联产系统，实现CO₂的有效捕集，提高能量利用效率。

基于热力学第一定律效率分析法，用ASPEN PLUS对构建的系统进行建模和模拟分析，研究系统效率。模拟结果表明，CO₂捕集率为100%，系统供电效率38-43%，供热效率39-40%，总热电效率达到78 -82%，。设计基准工况条件下，给煤量为1kg/s，燃料反应器温度为900℃，空气反应器温度为950℃，过量空气系数为1.2，载氧比为1.2，惰性载体比为0.4，系统的供电效率为40.64%，供热效率为39.99%，总效率为80.63%，其中包括各种辅助设备的耗功。最后，分析了透平进口温度、透平进口压力、燃料反应器温度、空气反应器温度、载氧比、惰性载体比、过量空气系数等因素对发电效率、供热效率、总效率等热力系统性能的影响，随着透平进口温度和压力的升高，sCO₂循环效率提高，供电效率提高，但供热效率降低，而电厂的总效率提高，而其他因素主要改变系统各换热器的换热量，对系统效率影响不大。

关键词：化学链燃烧； 超临界CO₂循环； 热电联产

Abstract

Coal is the predominant fuel in our power generation, accounting for about 70% of its primary energy consumption in China. Therefore, clean and efficient coal-fired power conversion is of great significance to China's sustainable economic development. In this work, coal is used as the feed stock, and a novel energy conversion system for cogeneration of heat and power is investigated. The system couples chemical looping combustion (CLC) with supercritical CO₂ cycle, and it achieves the potential of capturing CO₂ effectively and improving energy conversion efficiency.

The system was simulated and analyzed by ASPEN PLUS and it was based on the first law of thermodynamics. The net power efficiency of the system is 38-43%, the heating efficiency is 39-40%, the resulting total efficiency is 78-82%, and the CO₂ capture rate is 100%. For a baseline case of the proposed configuration, under the conditions of coal feed rate 1 kg/s, the fuel reactor temperature 900℃, the air reactor temperature 950℃, the air ratio 1.2, oxygen carrier ratio 1.2, and the inert support ratio 0.4, the net power efficiency of the system is 40.64%, the heating efficiency is 39.99%, and the resulting total efficiency is 80.63% , including the power consumptions of auxiliary devices. Finally, the influences of turbine inlet temperature, turbine inlet pressure, fuel reactor temperature, air reactor temperature, oxygen carrier ratio, inert support ratio and air ratio on the performance of thermal system such as the net power efficiency, heating efficiency and total efficiency were analyzed. As the temperature and pressure of turbine inlet increases, the sCO₂ cycle efficiency, the net power efficiency and the total efficiency increase, but the heating efficiency decreases. And other factors mainly change the heat exchanger of the system, which has little effects on the system efficiency.

KEY WORDS: Chemical looping combustion; Supercritical CO₂ cycle; heat and power cogeneration

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1 CLC原理与应用 2

1.2.2 sCO₂循环的原理与应用 3

1.3 ASPEN PLUS介绍 5

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 5

第二章 CLC-sCO₂循环系统建模 7

2.1系统概述 7

2.2 ASPEN PLUS模拟 9

2.2.1 CLC燃烧 9

2.2.2 sCO₂循环 11

2.2.3 碳捕集与供热 12

2.3 效率定义 12

第三章 系统性能分析 14

3.1 系统参数设置 14

3.2 基础工况性能 15

3.3 系统性能对比 17

第四章 系统敏感性分析 19

4.1透平入口温度 19

4.2 透平入口压力 21

4.3 燃料反应器温度 23

4.4空气反应器温度 25

4.5 载氧体质量流量 26

4.6 惰性载体质量流量 27

4.7 过量空气系数 28

第五章 总结与展望 30

5.1 总结 30

5.2 展望 31

致 谢 33

参考文献： 34

第一章 绪论

1.1选题背景及意义

随着工业与生产的迅速发展和人们的生活水平的要求提高，煤炭在整个能源生产中发挥着越来越重要的作用，煤炭是全球最丰富的化石资源，而我国一直以来都是生产和消费煤炭资源的大国,生产和消费总量逐年增加。在中国，煤炭在能源的消费结构中占比70％左右，其中40％-43％的煤用于火力发电^[1]，同时煤作为主要生产产品的原料，包括煤气化、液化的用量也逐年增加，因此，煤是我国能源结构中的重要组成部分，是能源格局中的主体，故本文选择煤炭为系统原料进行分析。但因煤炭燃烧释放的CO₂占比很大，成为温室效应的主要原因之一，且人们对于人为二氧化碳排放而引起的温室效应问题日益关注，因此，以高效科学的方式减排CO₂已经刻不容缓。

化学链燃烧（CLC）是一种被开发应用于发电的新型燃烧方式。在燃烧过程中，它的生成物主要是浓度极高的CO₂或者是便于进行CO₂分离与捕集的的气相混合物(如H₂O CO₂)，而生成其他污染物 (如NOx、SOx等)的量很少，它与传统的燃烧方式不同，就传统的CO₂减排来说，CO₂捕集^[2]有三种选择，即燃烧前^[3]、富氧燃烧^[4]和燃烧后^[5]，然而，CO₂捕集过程带来了相当大的能源损失，CLC技术可以大幅度降低CO₂的捕集成本，是解决能源与环境问题的创新性举措。当煤炭作为燃料用于 CLC 发电技术中时，既能达到温室效应的主要气体CO₂的高效捕集，降低捕集成本，还能实现煤的高效洁净利用，减少污染物的生成量，具有显著的经济优越性。

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