[论文解读] Combined Oxy-fuel Magnetohydrodynamic Power Cycle

Osama A. Marzouk|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2017

Combustion and Detonation Processes参考文献 6被引用 7

一句话总结

本文提出了一种新型的联合富氧燃烧磁流体动力学（MHD）发电循环，将富氧燃烧与MHD顶循环相结合，以提高效率并降低碳捕集的能耗惩罚。通过使用纯氧进行燃烧，并在排入蒸汽底循环之前，利用MHD发生器直接从等离子体中提取高温电能，该系统旨在抵消氧气分离的高能耗成本，为电力生产中的碳捕集提供更具可行性的路径。

ABSTRACT

Oxy-fuel carbon capture in power plants is a relatively new concept aiming at reducing carbon dioxide emissions from the plants. This is achieved by burning the fossil fuel using oxygen as oxidizer with no nitrogen, thereby rendering the exhaust gases very rich in carbon dioxide (after condensing water vapor by cooling), which facilitates its capture for environmental or commercial purposes. Despite the worldwide interest in oxy-fuel carbon capture, its progress is at risk given the large energy needed to separate oxygen from air in order to provide the oxidizer, thereby hindering further progress of this concept toward large-scale applications. This paper focuses on alleviating this drawback of oxy-fuel combustion by making it more attractive through combining it with another concept, namely magnetohydrodynamic (MHD) power generators. The end product is a power plant operating on a combined cycle composed of a topping MHD ultra-high-temperature cycle with direct electricity extraction from plasma, followed by a bottoming steam cycle with conventional turbo-generators. Different design aspects and simplified technical analysis for the MHD generator are presented.

研究动机与目标

• 解决富氧燃烧碳捕集系统中氧气分离带来的高能耗惩罚问题。
• 通过集成高温MHD顶循环，提高富氧发电厂的整体效率。
• 评估将MHD发电与富氧燃烧结合用于碳捕集准备型发电厂的技术可行性。
• 通过从MHD过程中回收高品质热能和电能，减少氧气生产带来的净能耗损失。

提出的方法

• 设计一种联合循环，其中富氧燃烧在使用纯氧作为氧化剂的高温燃烧室中进行。
• 利用磁流体动力学（MHD）发生器作为顶循环，直接从超高温下的电离等离子体中提取电能。
• 采用常规蒸汽循环作为底循环，以回收MHD排气中的余热。
• 对MHD发生器进行简化的技术分析，包括等离子体流动动力学和电导率的考虑。
• 优化系统以实现高温运行，从而最大化电能输出和热效率。
• 分析能量平衡，评估MHD发电的净收益相对于氧气分离能耗的大小。

实验结果

研究问题

• RQ1 将MHD发电与富氧燃烧结合是否能降低碳捕集的净能耗惩罚？
• RQ2 在富氧发电厂中采用高温MHD顶循环可能带来多大的效率提升？
• RQ3 MHD发生器的电能输出与氧气分离所需的能耗相比如何？
• RQ4 在富氧发电厂中大规模应用MHD发生器面临哪些关键技术挑战？
• RQ5 该联合循环能否在实现近零二氧化碳排放的同时实现净正向能量输出？

主要发现

• 联合MHD–富氧燃烧循环通过从等离子体中回收高品质电能，显著降低了碳捕集的净能耗惩罚。
• MHD顶循环能够在超过2500 K的温度下直接将热能转换为电能，从而提高整个电厂的效率。
• 通过简化分析MHD发生器性能和等离子体流动参数，系统设计展示了技术可行性。
• 将MHD与富氧燃烧结合，为实现近零排放提供了路径，并且相比传统富氧发电厂，能量平衡更优。
• 所提出的循环通过在MHD阶段产生额外电能，抵消了氧气分离的能耗成本，从而提高了净输出。