造纸黑液超临界水气化多联产能源动力系统集成与优化研究

Supercritical water gasification is a new handling method of black liquor from pulping process. The study of the integration of this technology coupled with the pulping process can promote the spread and development of this technology. This project investigated the integration of the polygeneration system of supercritical water gasification of black liquor on the reactor and system scale respectively. Firstly, the reaction mechanism and reaction kinetic equation will be achieved according to experimental and numerical computation. The transfer and the organics and inorganics (alkali) will also be revealed at the same time. Secondly, a coupled system model of supercritical water gasification and pulping process will be built, which produces power energy, hydrogen, heat and alkali. The pinch analysis will be performed on this system model to optimize the system and maximum the energy efficiency. Finally, thermal economic analysis will be performed to further optimize the coupled system based on both the energy and economic efficiency of the system. The study of this project will provide designing and optimization theory for the coupled system of supercritical water gasification of black liquor and the pulping process.

超临界水气化是一种造纸黑液资源化利用新途径，它与制浆过程耦合系统的集成和优化有助于实现能量的梯级利用，对于该技术的发展和推广具有重要的意义。本课题拟结合反应器和系统尺度的研究对造纸黑液超临界水气化多联产系统进行集成和优化研究。首先，通过实验研究和数值计算揭示造纸黑液超临界水气化的反应机理和能质传输规律，建立该反应的动力学模型。然后，综合考虑超临界水气化独特的反应环境和产物特性以及制浆过程复杂的能量和物质流，建立起电能-热量-氢气-化工产品（碱盐）多联产的新型能源动力系统模型，并通过热力学和夹点分析理论对该系统进行集成和优化，实现能的梯级利用。最后，采用热力学分析和经济学分析结合的方式对系统进行优化分析，得出该系统的投资回收期和火用成本方程，获得系统集成的综合评价指标和集成与优化设计理论。本项目有望为超临界水气化在造纸黑液资源化处理中的系统设计与优化提供数据和理论支撑。

超临界水气化是一种新型的造纸黑液污染治理和资源化利用技术，而制浆过程是一种具有多种物质流和能量流的复杂化工工艺，实现造纸黑液超临界水气化与制浆工艺的有效耦合以及能量的高效利用将有助于该技术的发展和应用。首先，本项目进行了造纸黑液超临界水气化的热力学分析、实验研究、机理分析和分子动力学研究，获得了气化结果与反应温度、停留时间、黑液浓度等关键参数的定量关系；通过对反应机理研究和分析获得了造纸黑液超临界水气化的关键控制步骤，并进行了反应强化的研究。研究获得了造纸黑液高达98.17%的碳气化率，接近完全气化。其次，提出了造纸黑液与其它能源超临界水共气化的应用途径，以扩大超临界水气化系统能量输出规模，并解决造纸黑液蒸发带来的能耗提高的问题。本项目研究了煤炭、制浆生物质以及废旧塑料等补充能源与造纸黑液超临界水共气化的特性，获得了共气化与关键参数的定量关系和规律，获得了不同物料间的最佳掺混比等关键参数，发现并揭示了造纸黑液与不同物料间的协同效应和作用机理。本研究提高了造纸黑液超临界水气化能源供给规模，拓展了该技术的应用场景。最后，在前期上述研究的基础上，综合考虑造纸黑液超临界水气化特性以及制浆工艺复杂的物质流和能量流，构建了造纸黑液超临界水气化与制浆工艺耦合的电能-热量-氢气-化工产品的多联产系统模型，并进行了系统能量分析和火用分析。通过研究获得了造纸黑液超临界水气化中气液分离器的最佳参数、氧化剂种类的影响以及选择、系统规模对系统能源效率的影响规律、耦合系统的物质流和能量流分布、采用造纸黑液超临界水气化后的制浆综合能耗；并且获得了黑液原始浓度、黑液蒸发目标浓度、黑液蒸发器级数和能效对系统总能量效率和火用效率的影响。该研究进一步展示了超临界水气化在造纸黑液处理上的可行性和优势，并且获得了它与制浆工艺耦合系统的集成和优化方法和准则，为该技术的推广和应用提供了数据支持和理论基础。