基于高位热值的燃料化学模型及计算分析

王继选， 吴智泉， 韩中合， 刘小贞， 钱江波

（1.华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，保定071003；2.中国水利电力物资有限公司，北京100045；3.邯郸职业技术学院 电子信息工程系，邯郸056001）

符号说明：

p0——环境压力，MPa T0——环境温度，℃X0j——组分j在环境基准物中的摩尔分数，%Xj——组分j在辅助反应物中的摩尔分数，%X0k——组分k在环境基准物中的摩尔分数，%Xk——组分k在实际产物中的摩尔分数，%CF——燃料物质C1——反应物

Cλ——生成物ΔG——标准自由焓变化，kJ／kg e－CHF ——燃料的标准摩尔化学 ，kJ／kg eCH ，kJ／kg¯gF——燃料物质的摩尔吉布斯自由能，kJ／kg υl——每摩尔反应物的化学当量系数υλ——每摩尔生成物的化学当量系数E0l——反应物寂态的化学能，kJ／kg DAF——干基煤化学E0λ——生成物寂态的化学能，kJ／kg w（H）——燃料中 H 的质量摩尔浓度，kmol／kg w（O）——燃料中O的质量摩尔浓度，kmol／kg w（N）——燃料中N的质量摩尔浓度，kmol／kg w（C）——燃料中C的质量摩尔浓度，kmol／kg w（S）——燃料中S的质量摩尔浓度，kmol／kg w（A灰）——燃料中灰分的质量摩尔浓度，kmol／kg n（H）——H的原子个数n（O）——O的原子个数n（N）——N的原子个数n（C）——C的原子个数n（S）——S的原子个数QGW——高位发热量，kJ／kg QDW——低位发热量，kJ／kg

煤是重要的一次能源，对煤进行燃料分析可以确定其最大做功能力.要对能源利用进行合理地评价，就需要准确地计算燃料的值，许多学者对此进行了大量的研究工作，由于不同的研究者使用的基础数据来自不同国家的统计样本，使得燃料的表达式也不相同.因此，针对我国煤质进行燃料的研究具有现实意义.西德学者Ahrendts提出了热力学平衡环境模型并得出了燃料的计算公式.Alok Srivastava［1］对全球不同区域的煤炭进行了研究，试图提出统一的值与低位热值的关系式.Szargut等［2－3］根据热力学反应的不平衡模型，通过计算大量已知成分的有机物质的化学，获得了标准化学和发热值的比率与描述燃料化学成分参数之间的关系.Kaygusuz等［4］对土耳其煤矿的燃料进行了分析，Stepanov［5］认为不同国家的燃料具有不同的特性，燃料的估算存在差异性.Zakharov［6］用其他参照物来修正Szargut－Styrylska的关系式.范良政和Rant以纯物质为基础得出了燃料的化学，信沢寅男对Rant提出的计算表达式进行了研究性的修正，然而他们的计算均以理想物质为基础，笔者根据实际燃烧过程提出了物质化学的数学模型，并利用该模型推导出含C、H、O、N、S等多种元素成分的化学计算式.

针对我国煤质与其他国家煤质不同的情况，笔者根据提出的基于燃料高位热值的物质化学关系式，精确计算了我国部分地区煤的燃料，并将计算结果与信沢寅男、范良政等的计算结果进行了比较.

1 燃料的化学

化石燃料的成分以碳氢化合物为主.在燃烧过程中，除燃料本身之外，基准反应物取自大气中的氧，生成二氧化碳、水蒸气等物质又排放至大气中.因此，燃料的化学可以表示为［7－9］

式中各符号含义参见文献［7］，上式是在理想气体假设条件下推导出来的，而实际燃料的组成各异、且与理想气体有很大的不同，因此，为了更精确地计算燃料的化学，需根据化石燃料的燃烧过程，建立物质燃烧的反应模型，根据实际的燃烧过程，计算燃料的化学值.

2 可燃物质反应过程模型

2.1 燃料化学物理模型的建立

（1）将某些纯物质从环境基准物中分离出来的可逆过程.

（2）基准反应过程，其生成物称做环境生成物，作用时利用环境反应物与所研究的物质进行化学反应使之变成基准物，此过程中的变化为反应.

（3）使环境生成物变成环境基准物系成分的可逆扩散过程，它使所研究的物质达到寂态，稳定物流从物理寂态到达寂态的可逆过程实际上包括可逆化学反应和可逆浓度变化的扩散这样两个过程，整个过程对外提供的最大有用功就是该物质的化学.

2.2 物质化学数学模型的建立

假定研究对象的物质的量为1kmol，则按照图1的反应模型，其化学反应包含以下几个过程：

（1）在环境基准物中等温可逆提取Njmol辅助反应物，则所需的最小技术功为

图1 物质反应过程的模型Fig.1 Reaction process model of the substance

（2）将辅助反应物从p0Xj，T0环境下等温可逆提取到p0、T0环境下所需要的最小技术功为

（3）燃料和辅助反应物均以p0、T0条件下的纯组分来进行可逆化学反应，所做出的最大技术功为

（4）纯产物因浓度差等温可逆膨胀至实际燃烧产物，所做出的最大技术功为

（5）实际产物等温可逆膨胀至环境基准物时所做的最大技术功为

则有

式（9）中用吉布斯自由能代替可得

以碳氢化合物为例，碳氢化合物与氧气在环境中的反应为

根据式（10），式（13）可变化为

3 复杂物质化学模型的建立

根据反应平衡，则有

式中：

以1kg干燃料为基准，则有

根据式（17）和式（9），则有

表1 物质的标准化学和标准熵Tab.1 Standard chemical exergy and standard entropy of substance kJ／kmol

表1 物质的标准化学和标准熵Tab.1 Standard chemical exergy and standard entropy of substance kJ／kmol

物质种类 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计算如下：

根据式（17）及表1可知，含C、H、O、N、S等多种元素的复杂燃料的计算如下：

式中：QGW，DAF、E″的单位分别为 MJ／kg和kJ／kg.

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

我国部分煤炭的种类及元素分析见表2，该样本包含了大部分地区的煤样，样本种类比较齐全.根据实际反应过程推导式（21），复杂物质燃料的计算方法有3种：信寅男修正式、范良政算法和本文算法，计算公式分别为式（24）、式（25）和式（26）.

表2 不同煤种的元素分析Tab.2 Elemental analysis of coal %

分别利用式（24）、式（25）和式（26）对表2中燃料的化学进行计算，计算结果见表3，不同的计算方法得出的燃料值存在差异.信沢寅男法、范良政法均是以纯物质为反应模型进行计算的，而本文方法是以实际反应过程为计算模型进行计算的，从数值上看，三种方法的计算结果比较接近.

表3 燃料化学的计算值Tab.3 Calculation results of the fuel chemical exergy kJ／kg

表3 燃料化学的计算值Tab.3 Calculation results of the fuel chemical exergy kJ／kg

计算方法煤炭种类信沢寅男法 范良政法 本文方法凤鸣村褐煤10 166.98 10 692.80 10 542.11

续表

5 结 论

（1）针对燃料的燃烧过程，提出了一种基于燃料高位热值的燃料化学计算方法，所建模型的物理意义明确.

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

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［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］吴智泉，周少祥，安连锁.能源结构调整的理论基础研究［J］.动力工程学报，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］吴智泉，周少祥，安连锁，等.基于终端产品燃料单耗的节能减排评价体系［J］.动力工程学报，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］钱三鸿，杨东华.复杂物质化学的计算模型及计算式［J］.华东化工学院学报，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］周玉铭，张晓鹏，朱建宁.燃烧综合物理模型［J］.西安交通大学学报，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.环境状态下化合物的化学和化学焓［J］.工程热物理学报，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.