基于高位熱值的燃料化學模型及計算分析

王繼選， 吳智泉， 韓中合， 劉小貞， 錢江波

（1.華北電力大學 電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，保定071003；2.中國水利電力物資有限公司，北京100045；3.邯鄲職業(yè)技術學院 電子信息工程系，邯鄲056001）

符號說明：

p0——環(huán)境壓力，MPa T0——環(huán)境溫度，℃X0j——組分j在環(huán)境基準物中的摩爾分數(shù)，%Xj——組分j在輔助反應物中的摩爾分數(shù)，%X0k——組分k在環(huán)境基準物中的摩爾分數(shù)，%Xk——組分k在實際產物中的摩爾分數(shù)，%CF——燃料物質C1——反應物

Cλ——生成物ΔG——標準自由焓變化，kJ／kg e－CHF ——燃料的標準摩爾化學 ，kJ／kg eCH ，kJ／kgˉgF——燃料物質的摩爾吉布斯自由能，kJ／kg υl——每摩爾反應物的化學當量系數(shù)υλ——每摩爾生成物的化學當量系數(shù)E0l——反應物寂態(tài)的化學能，kJ／kg DAF——干基煤化學E0λ——生成物寂態(tài)的化學能，kJ／kg w（H）——燃料中 H 的質量摩爾濃度，kmol／kg w（O）——燃料中O的質量摩爾濃度，kmol／kg w（N）——燃料中N的質量摩爾濃度，kmol／kg w（C）——燃料中C的質量摩爾濃度，kmol／kg w（S）——燃料中S的質量摩爾濃度，kmol／kg w（A灰）——燃料中灰分的質量摩爾濃度，kmol／kg n（H）——H的原子個數(shù)n（O）——O的原子個數(shù)n（N）——N的原子個數(shù)n（C）——C的原子個數(shù)n（S）——S的原子個數(shù)QGW——高位發(fā)熱量，kJ／kg QDW——低位發(fā)熱量，kJ／kg

煤是重要的一次能源，對煤進行燃料分析可以確定其最大做功能力.要對能源利用進行合理地評價，就需要準確地計算燃料的值，許多學者對此進行了大量的研究工作，由于不同的研究者使用的基礎數(shù)據(jù)來自不同國家的統(tǒng)計樣本，使得燃料的表達式也不相同.因此，針對我國煤質進行燃料的研究具有現(xiàn)實意義.西德學者Ahrendts提出了熱力學平衡環(huán)境模型并得出了燃料的計算公式.Alok Srivastava［1］對全球不同區(qū)域的煤炭進行了研究，試圖提出統(tǒng)一的值與低位熱值的關系式.Szargut等［2－3］根據(jù)熱力學反應的不平衡模型，通過計算大量已知成分的有機物質的化學，獲得了標準化學和發(fā)熱值的比率與描述燃料化學成分參數(shù)之間的關系.Kaygusuz等［4］對土耳其煤礦的燃料進行了分析，Stepanov［5］認為不同國家的燃料具有不同的特性，燃料的估算存在差異性.Zakharov［6］用其他參照物來修正Szargut－Styrylska的關系式.范良政和Rant以純物質為基礎得出了燃料的化學，信沢寅男對Rant提出的計算表達式進行了研究性的修正，然而他們的計算均以理想物質為基礎，筆者根據(jù)實際燃燒過程提出了物質化學的數(shù)學模型，并利用該模型推導出含C、H、O、N、S等多種元素成分的化學計算式.

針對我國煤質與其他國家煤質不同的情況，筆者根據(jù)提出的基于燃料高位熱值的物質化學關系式，精確計算了我國部分地區(qū)煤的燃料，并將計算結果與信沢寅男、范良政等的計算結果進行了比較.

1 燃料的化學

化石燃料的成分以碳氫化合物為主.在燃燒過程中，除燃料本身之外，基準反應物取自大氣中的氧，生成二氧化碳、水蒸氣等物質又排放至大氣中.因此，燃料的化學可以表示為［7－9］

式中各符號含義參見文獻［7］，上式是在理想氣體假設條件下推導出來的，而實際燃料的組成各異、且與理想氣體有很大的不同，因此，為了更精確地計算燃料的化學，需根據(jù)化石燃料的燃燒過程，建立物質燃燒的反應模型，根據(jù)實際的燃燒過程，計算燃料的化學值.

2 可燃物質反應過程模型

2.1 燃料化學物理模型的建立

（1）將某些純物質從環(huán)境基準物中分離出來的可逆過程.

（2）基準反應過程，其生成物稱做環(huán)境生成物，作用時利用環(huán)境反應物與所研究的物質進行化學反應使之變成基準物，此過程中的變化為反應.

（3）使環(huán)境生成物變成環(huán)境基準物系成分的可逆擴散過程，它使所研究的物質達到寂態(tài)，穩(wěn)定物流從物理寂態(tài)到達寂態(tài)的可逆過程實際上包括可逆化學反應和可逆濃度變化的擴散這樣兩個過程，整個過程對外提供的最大有用功就是該物質的化學.

2.2 物質化學數(shù)學模型的建立

假定研究對象的物質的量為1kmol，則按照圖1的反應模型，其化學反應包含以下幾個過程：

（1）在環(huán)境基準物中等溫可逆提取Njmol輔助反應物，則所需的最小技術功為

圖1 物質反應過程的模型Fig.1 Reaction process model of the substance

（2）將輔助反應物從p0Xj，T0環(huán)境下等溫可逆提取到p0、T0環(huán)境下所需要的最小技術功為

（3）燃料和輔助反應物均以p0、T0條件下的純組分來進行可逆化學反應，所做出的最大技術功為

（4）純產物因濃度差等溫可逆膨脹至實際燃燒產物，所做出的最大技術功為

（5）實際產物等溫可逆膨脹至環(huán)境基準物時所做的最大技術功為

則有

式（9）中用吉布斯自由能代替可得

以碳氫化合物為例，碳氫化合物與氧氣在環(huán)境中的反應為

根據(jù)式（10），式（13）可變化為

3 復雜物質化學模型的建立

根據(jù)反應平衡，則有

式中：

以1kg干燃料為基準，則有

根據(jù)式（17）和式（9），則有

表1 物質的標準化學和標準熵Tab.1 Standard chemical exergy and standard entropy of substance kJ／kmol

表1 物質的標準化學和標準熵Tab.1 Standard chemical exergy and standard entropy of substance kJ／kmol

物質種類 e－CH s －407 424.5 5.740 S（s）1 207 758.0 32.058 N2（g）679.5 191.610 O2（g）3 960.5 205.146 H2（g）235 674.5 130.679 CO（g）272 256.0 197.648 CO2（g）17 023.0 213.794 H2O（g）9 068.0 188.824 SO2（g）C（s）307 669.5 284.094

式（17）中sDAF計算如下：

根據(jù)式（17）及表1可知，含C、H、O、N、S等多種元素的復雜燃料的計算如下：

式中：QGW，DAF、E″的單位分別為 MJ／kg和kJ／kg.

范良政、David、Eiserman、Ganan和Dogur等都進行了QGW，DAF估算的研究.本文采用Eiserman的估算方法［15］，即

我國部分煤炭的種類及元素分析見表2，該樣本包含了大部分地區(qū)的煤樣，樣本種類比較齊全.根據(jù)實際反應過程推導式（21），復雜物質燃料的計算方法有3種：信寅男修正式、范良政算法和本文算法，計算公式分別為式（24）、式（25）和式（26）.

表2 不同煤種的元素分析Tab.2 Elemental analysis of coal %

分別利用式（24）、式（25）和式（26）對表2中燃料的化學進行計算，計算結果見表3，不同的計算方法得出的燃料值存在差異.信沢寅男法、范良政法均是以純物質為反應模型進行計算的，而本文方法是以實際反應過程為計算模型進行計算的，從數(shù)值上看，三種方法的計算結果比較接近.

表3 燃料化學的計算值Tab.3 Calculation results of the fuel chemical exergy kJ／kg

表3 燃料化學的計算值Tab.3 Calculation results of the fuel chemical exergy kJ／kg

計算方法煤炭種類信沢寅男法 范良政法 本文方法鳳鳴村褐煤10 166.98 10 692.80 10 542.11

續(xù)表

5 結 論

（1）針對燃料的燃燒過程，提出了一種基于燃料高位熱值的燃料化學計算方法，所建模型的物理意義明確.

［1］SRIVASTAVA A.Second law （exergy）analysis of various types of coal［J］.Energy Convers Mgmt，1988，28（2）：117－121.

［2］SZARGUT J.Chemical exergies of the elements［J］.Apply Energy，1989，32（4）：269－286.

［3］SZARGUT J，MORRIS D R，STEWARD F R.Exergy analysis of thermal，chemical，and metallurgical processes［M］.New York：Hemisphere，1988.

［4］KAYGUSUZ K，BILGEN S.Thermodynamic aspects of renewable and sustainable development［J］.Energy Sources，Part A，2009，31（4）：287－298.

［5］STEPANOV V S.Chemical energies and exergies of fuels［J］.Energy，1995，20（3）：235－242.

［6］ZAKHAROV N D.Exergy of organic fuels［J］.Izvestiya Vuzov Energetika，1970，63（9）：132－140.

［8］吳智泉，周少祥，安連鎖.能源結構調整的理論基礎研究［J］.動力工程學報，2011，31（3）：233－237.WU Zhiquan，ZHOU Shaoxiang，AN Liansuo.Study on theoretical foundation for energy structural adjustment［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2011，31（3）：233－237.

［9］吳智泉，周少祥，安連鎖，等.基于終端產品燃料單耗的節(jié)能減排評價體系［J］.動力工程學報，2010，30（6）：467－472.WU Zhiquan，ZHOU Shaoxiang，AN Liansuo，et al.Evaluation index system of energy saving and emission reduction based on fuel specific consumption for end products［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2010，30（6）：467－472.

［10］錢三鴻，楊東華.復雜物質化學的計算模型及計算式［J］.華東化工學院學報，1986：12（1）：95－105.QIAN Sanhong，YANG Donghua.The calculation of the chemical exergies of complex material［J］.The Chemical Technology of East China Institute，1986，12（1）：95－105.

［12］周玉銘，張曉鵬，朱建寧.燃燒綜合物理模型［J］.西安交通大學學報，1990，24（6）：73－78.ZHOU Yuming，ZHANG Xiaopeng，ZHU Jianning.The comprehensive physical model of combustion［J］.Journal of Xi＇an Jiaotong University，1990，24（6）：73－78.

［13］朱明善.環(huán)境狀態(tài)下化合物的化學和化學焓［J］.工程熱物理學報，1983，12（1）：1－5.ZHU Mingshan.The chemical exergy and enthalpy of the compounds in the environment state［J］.Journal of Engineering Thermophysics，1983，12（1）：1－5.

［15］EISERMAN W，JOHNSON P，CONGER W I.Estimating thermodynamic properties of coal，char，tar and ash［J］.Fuel Proc Tech，1980，3（1）：39－53.