动力、化工和环境等领域与学科的交叉已经成为当代能源科学发展的一个基本趋势与特征。多能源互补的多功能能源系统借助系统集成和过程革新,寻求将多种能源综合互补、高效利用的有效途径与方法,逐步成为能源领域可持续发展的方向之一。本文依托国家重点基础研究发展规划973计划项目“新型广义总能系统与其全息性能和规律”和国家自然科学基金重大研究计划重点项目“适合西部多功能能源系统”,研究多能源综合互补的多功能能源系统的若干关键问题,主要包括多种化石能源综合互补方法与机理、适用于多功能系统复杂能量转化利用过程的(火用)分析方法以及新系统集成开拓等三个方面。 在研究分析不同化石燃料(天然气和煤)特点的基础上提出了天然气和煤综合互补利用的新方法—双燃料重整综合互补。新方法将天然气/水蒸汽重整反应过程和煤燃烧过程整合起来,通过两个化学反应过程的耦合,发挥了天然气和煤的各自特点,实现了天然气和煤的高效清洁利用。基于能的品位概念,对双燃料重整综合互补过程进行深入分析研究,得出了描述燃料化学能与物理能相互转化的品位关系式,揭示双燃料重整综合互补时天然气和煤化学能梯级利用机理,还探讨了双燃料重整反应过程化学能与物理能梯级利用的特性规律。 在常规(火用)分析研究基础上拓展了(火用)分析方法。建立复杂能量利用过程的品位关系式,从能量的量和品位(质)相结合的层面,深入分析了过程内部能量转化利用现象,揭示其能量转化和利用机理。并将多个过程的品位关系式关联起来,分析过程与过程之间的相互影响,从而全面认识复杂系统中化学能与物理能综合梯级利用的实质。 研究提出双燃料重整发电系统。该系统基于“品位对口、梯级利用”的原则,将双燃料重整过程与热功转换的热力过程集成在一起,系统中双燃料重整反应制备的合成气作为动力系统的燃料,动力系统为双燃料重整反应提供重整用蒸汽,同时梯级利用了双燃料重整过程中的余热。模拟结果表明,双燃料重整发电系统具有较好的热力性能,在当前相应的技术条件下,煤的折合发电效率可达48%左右。