基于能量品位的燃料化学能梯级释放特性研究

摘要

能源的高效、清洁利用是我国经济稳定、健康、可持续发展的基础。目前，我国能源结构以煤炭、天然气等为代表的化石燃料为主，获取热量的方式以直接燃烧为主，但是由于技术水平落后，这种简单粗放的利用方式的能量利用效率很低，同时产生的硫氧化物、氮氧化物、雾霾等污染物和温室气体二氧化碳，对人们正常的生产和生活产生极大的影响。因此，研发化石燃料的高效清洁利用技术势在必行。
　　本文在前人研究的基础上，探究了煤的直接燃烧、气化重整再燃烧、超临界水氧化和化学链燃烧以及天然气的直接燃烧、水蒸气重整再燃烧和化学链燃烧的等能量利用方式的反应过程和能量释放路径。进而，基于能量品位理论，利用图像?分析方法，对煤和天然气的上述各种燃烧反应过程进行分析比较，剖析了各种反应的能量转换特点，揭示了燃料的化学能释放特性。
　　结果表明：
　　（1）燃料的直接燃烧之所以能量利用率很低，原因在于：燃料在常规的热力系统中，主要是采用直接燃烧的形式将所含的化学能转换为所需要的热能，燃料的化学能品位较高，系统另一侧的热源品位较低，两者之间较大的品位差引起了燃料直接燃烧过程中能量的较大损失。
　　（2）与煤的直接燃烧相比，煤的气化重整再燃烧、超临界水氧化和化学链燃烧降低了化学能与恒温热源品位之差，改变了煤中化学能释放的途径：气化重整反应或还原反应将品位较高的煤的化学能转换为品位较低的Ni或CO或H2的化学1能，同时把这种品位差作为驱动力，提高了气化重整反应或还原反应产物(Ni或CO或H2)的反应热品位，通过燃烧（氧化）过程，将反应产物的化学能转化成物理能，由此使得整个反应过程的(火用)损失减小。煤的气化重整再燃烧、超临界水氧化和化学链燃烧相比于煤的直接燃烧，(火用)损失分别减少14.32kJ/mol，5.19kJ/mol，8.27kJ/mol，相比分别减少17.92％、6.04%和10.35%；热(火用)分别增加9.99kJ/mol，16.49kJ/mol，4.95kJ/mol，相比分别增加3.18%、5.25%和6.52%。由比较结果，煤的气化重整再燃烧减少(火用)损失最多，而煤的化学链燃烧增加热(火用)最多。考虑到实际商业应用问题，选用煤的气化重整再燃烧方式最为适合。
　　（3）天然气的水蒸气重整再燃烧和化学链燃烧等能量利用方式通过改变天然气中化学能释放的途径，降低了能量释放侧化学能品位与能量接收侧的热源品位的差值，从而提高了能源利用率。相比于天然气的直接燃烧，其水蒸气重整再燃烧和化学链燃烧的?损失分别减少32.43kJ/mol，75.55kJ/mol，相比分别减少35.85%和46.62%；热(火用)分别增加35.33kJ/mol，20.96kJ/mol，相比分别增加22.40%和15.91%。比较结果可知，甲烷的水蒸气重整再燃烧反应减少(火用)损失效果最好，而甲烷的化学链燃烧可以多释放热(火用)最多，但目前化学链燃烧受到载氧剂的限制，选用甲烷的水蒸气重整再燃烧较为合适。
　　（4）在煤的气化重整再燃烧、化学链燃烧和天然气的水蒸气重整再燃烧、化学链燃烧四种能量利用方式中，气化重整反应和还原反应都属于吸热反应的范畴，不同的吸热温度对反应的(火用)损失和热(火用)增加量影响很大。分析结果表明，随着吸热反应温度逐渐提高，气化重整反应和还原反应的(火用)损失逐渐增大，热(火用)增量逐渐减小。
　　本文通过研究燃料的清洁高效利用方式以及其化学能释放特性，为探索或研究新的能量利用方式以及实际商业应用提供理论支撑。

目录

主要符号表

1绪论

1.1研究背景

1.2 本文研究的内容和意义

2热力学分析理论

2.1热力学基本概念及其性质

2.2能量分析方法

2.3本章小结

3煤与天然气不同利用方式及反应过程

3.1 煤的利用方式及反应过程

3.2天然气的利用方式及反应过程

3.3本章小结

4燃料的化学能梯级释放分析

4.1物理能和化学能梯级利用规律

4.2煤的利用方式的能量梯级释放分析

4.3天然气燃烧方式的能量梯级释放分析

4.4反应温度对?损失和热?的影响

4.5本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期的研究成果及获奖情况