基于能量品位的燃料化學(xué)能梯級釋放特性研究.pdf

1、能源的高效、清潔利用是我國經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定、健康、可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。目前，我國能源結(jié)構(gòu)以煤炭、天然氣等為代表的化石燃料為主，獲取熱量的方式以直接燃燒為主，但是由于技術(shù)水平落后，這種簡單粗放的利用方式的能量利用效率很低，同時(shí)產(chǎn)生的硫氧化物、氮氧化物、霧霾等污染物和溫室氣體二氧化碳，對人們正常的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生極大的影響。因此，研發(fā)化石燃料的高效清潔利用技術(shù)勢在必行。
　　本文在前人研究的基礎(chǔ)上，探究了煤的直接燃燒、氣化重整再燃燒、超臨界水氧化

2、和化學(xué)鏈燃燒以及天然氣的直接燃燒、水蒸氣重整再燃燒和化學(xué)鏈燃燒的等能量利用方式的反應(yīng)過程和能量釋放路徑。進(jìn)而，基于能量品位理論，利用圖像?分析方法，對煤和天然氣的上述各種燃燒反應(yīng)過程進(jìn)行分析比較，剖析了各種反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換特點(diǎn)，揭示了燃料的化學(xué)能釋放特性。
　　結(jié)果表明：
　?。?）燃料的直接燃燒之所以能量利用率很低，原因在于：燃料在常規(guī)的熱力系統(tǒng)中，主要是采用直接燃燒的形式將所含的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為所需要的熱能，燃料的化學(xué)能品位較

3、高，系統(tǒng)另一側(cè)的熱源品位較低，兩者之間較大的品位差引起了燃料直接燃燒過程中能量的較大損失。
　?。?）與煤的直接燃燒相比，煤的氣化重整再燃燒、超臨界水氧化和化學(xué)鏈燃燒降低了化學(xué)能與恒溫?zé)嵩雌肺恢睿淖兞嗣褐谢瘜W(xué)能釋放的途徑：氣化重整反應(yīng)或還原反應(yīng)將品位較高的煤的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為品位較低的Ni或CO或H2的化學(xué)1能，同時(shí)把這種品位差作為驅(qū)動(dòng)力，提高了氣化重整反應(yīng)或還原反應(yīng)產(chǎn)物(Ni或CO或H2)的反應(yīng)熱品位，通過燃燒（氧化）過程，將反

4、應(yīng)產(chǎn)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成物理能，由此使得整個(gè)反應(yīng)過程的(火用)損失減小。煤的氣化重整再燃燒、超臨界水氧化和化學(xué)鏈燃燒相比于煤的直接燃燒，(火用)損失分別減少14.32kJ/mol，5.19kJ/mol，8.27kJ/mol，相比分別減少17.92％、6.04%和10.35%；熱(火用)分別增加9.99kJ/mol，16.49kJ/mol，4.95kJ/mol，相比分別增加3.18%、5.25%和6.52%。由比較結(jié)果，煤的氣化重整再燃燒減少

5、(火用)損失最多，而煤的化學(xué)鏈燃燒增加熱(火用)最多?？紤]到實(shí)際商業(yè)應(yīng)用問題，選用煤的氣化重整再燃燒方式最為適合。
　?。?）天然氣的水蒸氣重整再燃燒和化學(xué)鏈燃燒等能量利用方式通過改變天然氣中化學(xué)能釋放的途徑，降低了能量釋放側(cè)化學(xué)能品位與能量接收側(cè)的熱源品位的差值，從而提高了能源利用率。相比于天然氣的直接燃燒，其水蒸氣重整再燃燒和化學(xué)鏈燃燒的?損失分別減少32.43kJ/mol，75.55kJ/mol，相比分別減少35.85%和4

6、6.62%；熱(火用)分別增加35.33kJ/mol，20.96kJ/mol，相比分別增加22.40%和15.91%。比較結(jié)果可知，甲烷的水蒸氣重整再燃燒反應(yīng)減少(火用)損失效果最好，而甲烷的化學(xué)鏈燃燒可以多釋放熱(火用)最多，但目前化學(xué)鏈燃燒受到載氧劑的限制，選用甲烷的水蒸氣重整再燃燒較為合適。
　　（4）在煤的氣化重整再燃燒、化學(xué)鏈燃燒和天然氣的水蒸氣重整再燃燒、化學(xué)鏈燃燒四種能量利用方式中，氣化重整反應(yīng)和還原反應(yīng)都屬于吸熱反