固体燃料的多过程火用特性研究

发布时间：2020-04-10 17:57

【摘要】：化学火用可以衡量燃料的品质及经济性,还可以衡量其环境效应和生态影响。在对燃料的能量品质、经济性、环境效应、生态影响、反应装置、转化过程和利用系统做火用分析和评价时,化学火用的确定是前提,也是第一步。而确定燃料化学火用的方法大致有两种:基于热力学模型的理论推算法、基于反应热的经验修正法。第一类方法主要基于单过程热力学模型,重点考察燃料理论燃烧过程的反应火用,或者需要知道燃料的具体的分子结构,通常忽略灰分物理扩散过程的扩散火用;第二类方法通常在反应热(高位热值或低位热值)前乘以一个由元素成分确定的修正因子,通常也忽略燃料的灰分影响,对于灰分含量高的燃料,误差较大。本文针对生物质的多过程火用特性,首先建立基于氧弹量热仪的三个热力学过程即分离火用、反应火用、扩散火用组成的化学火用模型,然后利用微机全自动量热仪测定检验物质石墨、苯甲酸的热值,当氧弹中压力在2~2.5MPa时,热值误差分别可以控制在-1.01%~-0.15%、-0.18%~0.09%以内,因此利用微机全自动量热仪测定热值是合理且准确的;在此基础上,代入构建的化学火用模型,验证检验物质石墨、苯甲酸的化学火用,当氧弹中压力在2~2.5MPa时,化学火用误差分别可以控制在-1.04%~-0.22%、-0.15%~0.12%以内,因此利用此化学火用模型计算生物质化学火用是可行的,对于检验物质的多过程热力学过程,以氧弹内压力为2MPa为例,反应火用占比分别达96.09%、96.64%,其余两个过程的和占比分别为3.91%、3.36%。在128种生物质(64种木质生物质、28种稻壳生物质、24种稻草生物质、12种麦秸秆生物质)数据的基础上,利用构建的化学火用模型,计算这128种生物质的分离火用、反应火用、扩散火用及化学火用,并分析三个过程中每个部分所占的比例,揭示化学火用多过程热力学模型,其中化学火用组成占比中:反应火用扩散火用分离火用,且反应火用占比在95%左右,且反应火用中,热值占比较大,扩散火用在4%左右,而分离火用在1%左右,可见化学火用组成中,反应火用占比最大;而对于各个过程而言,麦秸秆各过程占比更加集中,木质生物质占比相对分散;最后与Szargut经验公式做比较,误差区间分别为-2.83%~3.57%、-3.24%~1.51%、-2.07%~1.94%、-1.81%~-0.29%,可见模型能可靠的计算生物质燃料的化学火用。由于上述构建的化学火用模型首先需要知道组成生物质的元素质量分数,还要知道灰分的具体组成及含量,准确的确定生物质化学火用显得尤为复杂,因此在128种生物质数据的基础上,对四大类生物质(木质、稻壳、稻草、麦秸秆)的多过程火用特性进行分析,并利用线性回归思想,得出四大类经验公式,大大简化了化学火用计算公式,其中单一的简化灰分项后的误差最低,分别为-0.77%~2.02%、-0.20%~0.30%、-0.66%~0.90%、-0.24%~0.17%;其次是利用单一变量生物质高位热值估算化学火用,误差分别为-1.96%~3.12%、-1.14%~1.47%、-1.69%~1.79%、-0.52%~0.71%;利用高位热值、水分、灰分简化化学火用计算公式,误差分别为-1.78%~1.56%、-2.57%~1.37%、-3.99%~1.51%、-0.66%~0.45%;利用单一变量低位热值估算化学用,误差分别为-4.88%~4.49%、-3.39%~1.79%、-2.68%~1.77%、-0.33%~0.24%;误差最大的是考虑了生物质组成的所有变量,误差分布较为分散,控制在5%以内的部分分别占87.5%、78.6%、83.3%、100%。
【图文】：

多过程,热力学模型

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 2 章燃料化学的多过程热力学模型建模和实验验证的方法可以为化学的确定提供依据，本章首先严的定义，建立基于氧弹量热仪的多过程热力学模型，并表征三个热后对模型进行修正，为后期的实验验证奠定基础。过程热力学模型的构建约束性寂态（T0、p0）的碳氢燃料，与环境并未达到完全平衡，环境氧气、氮气、二氧化碳、水蒸气及其它的一些物质，，但并不包含碳从化学的定义出发，构建燃料化学的氧气可逆分离-燃料可逆基可逆扩散多过程热力学模型，整体研究方案如图 2-1 所示。

过程图,热力学模型,过程,可逆扩散

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文才能达到可逆基准反应，同时反应后的环境生成物也必须以环境基准压力p0和温度T0离开反应容器。第三过程，也叫作环境生成产物（包括反应产物和灰分）的可逆扩散过程，这个过程的目的是环境生成物仍然具有做功能力，只有环境生成物中的成分和浓度与基准环境完全平衡时，才不具备做功能力，这些环境生成物在p0和T0下扩散至基准环境。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK16

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