CN108760809A - 一种含灰固体燃料的多过程*特性测量系统及测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种含灰固体燃料的多过程特性测量系统及测量方法，本发明涉及含灰固体燃料的多过程特性测量系统及测量方法。本发明为了解决现有含灰固体燃料化学的估算误差大的问题。系统包括氧气瓶、氧弹量热仪、温度传感器、第一压力传感器、第一阀门、第二阀门、过滤器、干燥器、真空泵、气体分析仪，第二压力传感器；氧气瓶的出口通过第一阀门连接氧弹量热仪的入口，氧弹量热仪的出口通过第二阀门连接过滤器的入口，过滤器的出口连接干燥器的入口，干燥器的出口连接真空泵的入口，真空泵的出口连接气体分析仪；氧气瓶和第一阀门之间设置第一压力传感器，氧弹量热仪内设置温度传感器和第二压力传感器。本发明用于含灰固体燃料特性测量领域。

Description

一种含灰固体燃料的多过程*特性测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及含灰固体燃料的多过程特性测量系统及测量方法。
背景技术
目前，化学已广泛地应用于煤和生物质等含灰固体燃料的能量品质、经济性、环境效应、生态影响、反应装置、转化过程和利用系统的分析和评价。
自然界中的实际固体燃料，通常含有较高的灰分(例如褐煤的灰分含量高达55％)，而且灰分成分差异较大(例如某一木屑灰分中的含量为0.43％，而另一木屑灰分中SiO2的含量为62.21％(为0.43％的144.67倍)，另一稻壳灰分中SiO2的含量则为97.00％(为0.43％的225.58倍))。某一木质生物质燃料的灰分含量为0.15％时，其灰分相关值占该燃料化学的0.04％。依此简单线性类推，灰分含量高达55％的含灰固体燃料，忽略灰分因素的确定方法可导致含灰固体燃料化学高达15％的估算误差。
含灰固体燃料化学的确定方法主要为理论推算法和经验修正法，此两种方法在确定含灰固体燃料(特别是灰分含量高)化学时容易引起较大误差，本发明提出一种新型方法，揭示含灰固体燃料的多过程特性，为含灰固体燃料化学精确确定的新方法和新公式提供理论依据和数据参考。
理论推算法：
确定含灰固体燃料化学的理论推算法可以分为两类：一是基于分子结构的理论推算法，一是基于热力学模型的理论推算法。
基于分子结构的理论推算法，主要用于已知分子式及分子结构的燃料，估算无确定分子式含灰固体燃料的化学时存在一定难度或较大误差。
基于热力学模型的理论推算法，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即使少量研究工作考虑了灰分，灰分的影响也主要是关联进燃料化学反应过程的热效应之中，灰分成分物理扩散过程的扩散往往被忽视。当燃料灰分含量较高时，灰分扩散的比例也将增大。因此，这类理论推算法在估算高含灰固体燃料化学时会导致较大的估算误差。
经验修正法
确定含灰固体燃料化学的经验修正法主要是基于燃料的反应热(高位热值或低位热值)进行修正估算。
这类直接采用反应热(高位热值或低位热值)估算含灰固体燃料化学的方式，主要用于工程上资源的概算，此方法较为简便，但精度不高。这类基于燃料反应热进行修正的确定方法，通常在反应热前乘以一个由元素成分确定的修正因子。修正因子通常大于1，将直接放大含灰固体燃料化学的估算误差。
综上，含灰固体燃料化学的确定方法主要是：(1)基于分子结构的理论推算法和基于热力学模型的理论推算法，(2)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通常忽略灰分物理扩散过程的扩散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。导致含灰固体燃料化学的估算误差大。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有基于分子结构的理论推算法在估算无确定分子式含灰固体燃料的化学时存在一定难度或较大误差、基于热力学模型的理论推算法通常忽略灰分物理扩散过程的扩散基于反应热的经验修正法通常在反应热(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，导致含灰固体燃料化学的估算误差大的问题，而提出一种含灰固体燃料的多过程特性测量系统及测量方法。
一种含灰固体燃料的多过程特性测量系统包括氧气瓶、氧弹量热仪、温度传感器、第一压力传感器、第一阀门、第二阀门、过滤器、干燥器、真空泵、气体分析仪，第二压力传感器；
氧气瓶的出口通过第一阀门连接氧弹量热仪的入口，氧弹量热仪的出口通过第二阀门连接过滤器的入口，过滤器的出口连接干燥器的入口，干燥器的出口连接真空泵的入口，真空泵的出口连接气体分析仪；
氧气瓶和第一阀门之间设置第一压力传感器，第一压力传感器用于测量氧气瓶中的氧气的压力；氧弹量热仪内设置温度传感器和第二压力传感器，用于测量氧弹量热仪内温度和压力。
一种含灰固体燃料的多过程特性测量方法具体过程为：
步骤一、构建含灰固体燃料化学可逆分离-可逆基准反应-可逆扩散的多过程热力学模型；
步骤二、基于含灰固体燃料化学可逆分离-可逆基准反应-可逆扩散的多过程热力学模型，分别建立含灰固体燃料分离反应和扩散的表达式；
基于含灰固体燃料分离反应和扩散的表达式建立含灰固体燃料化学的表达式；
步骤三、氧气和标定物质在含灰固体燃料的多过程特性测量系统中反应，通过过滤器、干燥器得到过滤器和干燥器的质量变化，通过气体分析仪得到反应后气体成分；通过氧弹量热仪测得氧气和标定物质反应热；
步骤四、基于过滤器和干燥器的质量变化、反应后气体成分、氧气和标定物质反应热修正步骤二中的分离反应扩散和化学的表达式，得到修正后含灰固体燃料的分离反应扩散和化学
本发明的有益效果为：
A：本发明的特色与主要创新之处是基于含灰固体燃料化学理论推算和经验修正等传统方法的总结与启示，进一步提出结合理论与实验确定含灰固体燃料化学
B：本发明的第二个主要创新之处是以含灰固体燃料燃烧热效应这一实验可测量量为桥梁，构建氧气可逆分离-燃料可逆基准反应-产物可逆扩散的全局多过程热力学模型。模型的第二过程(燃料可逆基准反应)搭建了与热效应的关联关系，为实验工作的开展奠定了基础；第三过程(产物可逆扩散)搭建了与灰分的关联关系，为含灰固体燃料化学的精确确定提供了保障,降低了估算无确定分子式含灰固体燃料化学的误差，提高了含灰固体燃料化学的估算精度。解决现有基于分子结构的理论推算法在估算无确定分子式含灰固体燃料的化学时存在一定难度或较大误差的问题。
C：本发明另一主要创新之处是基于Hess定律构建燃料燃烧-状态测定-物质测定-反应热测定的多功能实验系统，此系统有氧弹量热仪具有的两个功能：提供完全燃烧反应的场所，测定完全燃烧反应的热效应；还有氧弹量热仪不具有的两个功能：测定反应前后的状态(压力和温度)，测定反应前后的物质(成分和量)。同时，还将在此实验基础上修正含灰固体燃料化学的表达式，降低了含灰固体燃料化学的估算误差，提高了含灰固体燃料化学的估算精度。解决现有基于热力学模型的理论推算法通常忽略灰分物理扩散过程的扩散基于反应热的经验修正法通常在反应热(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，导致含灰固体燃料化学的估算误差大的问题。
依此简单线性类推，灰分含量高达55％的含灰固体燃料，忽略灰分因素的确定方法可导致含灰固体燃料化学高达15％的估算误差。本发明含灰固体燃料化学计算误差在2％以内。
附图说明
图1为本发明含灰固体燃料多过程特性的整体研究方案图；
图2为本发明含灰固体燃料多过程特性的热力学模型示意图；
图3为本发明含灰固体燃料多过程特性的实验系统图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图3说明本实施方式，本实施方式的一种含灰固体燃料的多过程特性测量系统包括搭建燃料燃烧-状态测定-物质测定-反应热测定的多功能实验装置，包括氧气瓶1、氧弹量热仪2、温度传感器3、第一压力传感器4、第一阀门5、第二阀门6、过滤器7、干燥器8、真空泵9、气体分析仪10，第二压力传感器11、气体管道等；
氧气瓶1的出口通过第一阀门5连接氧弹量热仪2的入口，氧弹量热仪2的出口通过第二阀门6连接过滤器7的入口，过滤器7的出口连接干燥器8的入口，干燥器8的出口连接真空泵9的入口，真空泵9的出口连接气体分析仪10；
氧气瓶1和第一阀门5之间设置第一压力传感器4，第一压力传感器4用于测量氧气瓶1中的氧气的压力；氧弹量热仪2内设置温度传感器3和第二压力传感器11，用于测量氧弹量热仪2内温度和压力。
具体实施方式二：结合图1、2、3说明本实施方式，本实施方式的一种含灰固体燃料的多过程特性测量方法具体过程为：
含灰固体燃料化学传统确定方法的启示是：含灰固体燃料的化学与反应热(高位热值和低位热值)高度相关，因此主要通过反应热进行估算。基于此，提出的假设是：含灰固体燃料的化学与反应热高度相关，而反应热又可以通过实验测定，因此，可以采用理论与实验相结合的方法确定含灰固体燃料的化学
步骤一、依据化学的定义(基于含灰固体燃料的完全燃烧反应)，构建含灰固体燃料化学可逆分离-可逆基准反应-可逆扩散的多过程热力学模型；
步骤二、基于含灰固体燃料化学可逆分离-可逆基准反应-可逆扩散的多过程热力学模型，分别建立含灰固体燃料分离反应和扩散的表达式；
基于含灰固体燃料分离反应和扩散的表达式建立含灰固体燃料化学的表达式；
步骤三、搭建燃料燃烧-状态测定-物质测定-反应热测定的多功能实验装置，氧气和标定物质在含灰固体燃料的多过程特性测量系统(燃料燃烧-状态测定-物质测定-反应热测定的多功能实验装置)中反应，通过过滤器、干燥器得到过滤器和干燥器的质量变化，通过气体分析仪得到反应后气体成分；通过氧弹量热仪测得氧气和标定物质反应热；
步骤四、基于过滤器和干燥器的质量变化、反应后气体成分、氧气和标定物质反应热修正步骤二中的分离反应扩散和化学的表达式，得到修正后含灰固体燃料的分离反应扩散和化学(准确值)。
考察分离反应和扩散的大小和比例，揭示含灰固体燃料的多过程特性。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述步骤一中依据化学的定义(基于含灰固体燃料的完全燃烧反应)，构建含灰固体燃料化学可逆分离-可逆基准反应-可逆扩散的多过程热力学模型；具体过程为：
含灰固体燃料化学可逆分离-可逆基准反应-可逆扩散的多过程热力学模型包括三个过程：如图2所示，
第一过程，将与含灰固体燃料进行反应的氧气从环境基准压力P0和温度T0中分离出来，得到氧气分离
第二过程，含灰固体燃料和氧气在环境基准压力P0和温度T0下进入氧弹发生可逆基准反应，产物为环境基准物中的纯物质，含灰固体燃料和氧气在P0和T0下离开氧弹，得到第二过程的最大有用功，即化学反应纯物质是混合的；
第三过程，产物(环境基准物中的纯物质)在环境基准压力P0和温度T0下扩散至环境基准压力P0和温度T0，得到产物扩散纯物质是分开的；
所述多过程为第一过程、第二过程和第三过程。
其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是：所述步骤二中基于含灰固体燃料化学可逆分离-可逆基准反应-可逆扩散的多过程热力学模型，分别建立含灰固体燃料分离反应和扩散的表达式；
基于含灰固体燃料分离反应和扩散的表达式建立含灰固体燃料化学的表达式；
具体过程为：
第一过程的分离通过氧气的扩散来确定，公式为：
式中：ExS为分离R为摩尔气体常数，为O2的物质的量，单位为mol；为O2分压力，P0为环境基准压力，取值为1.01×105pa，T0为环境基准温度，取值为25℃；
第二过程的最大有用功为反应也为标准(环境基准压力P0和温度T0下)反应自由焓的负值：
ExR＝-ΔG0＝-ΔH0+T0ΔS0 (2)
式中，ExR为反应ΔG0为标准反应自由焓，ΔH0为标准(环境基准压力P0和温度T0下)反应热(也即燃料的标准发热量，放热为负)，ΔS0为基准(环境基准压力P0和温度T0下)条件下的熵差；
第三过程扩散包括灰分和气体两部分：
式中，ExD为扩散i为灰分成分(比如煤燃烧后剩余的渣)，单位为kg；j为气体成分(比如反应中的气体有氧气、氮气、二氧化碳，j代表3个气体成分，每个气体可用仪器测出来)，单位为mol；mi为灰分成分的质量，单位为kg；exi为单位质量灰分的(每种灰分或气体的可查)；mj为气体成分物质的量，单位为mol；为标准情况下(环境基准压力P0和温度T0)的气体组分比例(每个气体占总气体的体积比例)；
含灰固体燃料的化学为分离反应和扩散之和：
其它步骤及参数与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤三中搭建燃料燃烧-状态测定-物质测定-反应热测定的多功能实验装置，氧气和标定物质在含灰固体燃料的多过程特性测量系统(燃料燃烧-状态测定-物质测定-反应热测定的多功能实验装置)中反应，通过过滤器、干燥器得到过滤器和干燥器的质量变化，通过气体分析仪得到反应后气体成分；通过氧弹量热仪测得氧气和标定物质反应热；具体过程为：
针对多过程热力学模型中可逆基准反应这一核心和关键，依据Hess定律，将可逆基准反应的热效应过渡至实际完全燃烧过程的热效应；
关闭含灰固体燃料的多过程特性测量系统第一阀门5和第二阀门6，打开第一阀门5，氧气瓶1中的氧气通过第一阀门5进入氧弹量热仪2，通过第一压力传感器4控制进入氧弹量热仪的氧气量，当进入氧弹量热仪2的氧气量达到阈值，关闭第一阀门5，向氧弹量热仪2放入标定物质(石墨或苯甲酸)，氧气和标定物质反应，当氧弹量热仪内2的温度传感器3和第二压力传感器11同时达到P0和T0时，打开第二阀门6，氧气和标定物质反应后的气流依次通过过滤器7、干燥器8、真空泵9、气体分析仪10，通过过滤器7、干燥器8得到过滤器7和干燥器8的质量变化，通过气体分析仪10得到反应后气体成分；通过氧弹量热仪2测得氧气和标定物质反应热；
P0为环境基准压力，取值为1.01×105pa，T0为环境基准温度，取值为25℃；
阈值为人为设置(当氧弹量热仪中的标定物质为12g石墨时，充入标准情况下的氧量为22.4L)。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤四中基于过滤器和干燥器的质量变化、反应后气体成分、氧气和标定物质反应热修正步骤二中的分离反应扩散和化学的表达式，得到修正后含灰固体燃料的分离反应扩散和化学(准确值)；
考察分离反应和扩散的大小和比例，揭示含灰固体燃料的多过程特性。
具体过程为：
步骤三中氧弹量热仪2为闭口系统，测量的反应热为闭口系的反应热(氧弹量热仪2闭口时的气体体积，随压力变化气体体积不变)；式(4)中的-ΔH0为开口系的标准反应热，开口系和闭口系的标准反应热通过下式转换：
式中，为定容条件下的标准反应热，Δmj为气体成分物质的量的变化量，单位为mol；
另外，氧弹内的压力(P)明显高于环境基准压力(P0)，因此需要进一步对反应做压力的修正，压力修正项表述为：
式中，p为氧氮内压力；V为氧弹量热仪；
因此，含灰固体燃料化学的表达式修正为：
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
含灰固体燃料化学的检验
根据石墨(C)或苯甲酸(燃料反应热的标定物质)的化学验证式(7)的准确性，其反应热和化学均有确定的理论值，因此可作为本方法的检验燃料。

Claims (6)

1.一种含灰固体燃料的多过程特性测量系统，其特征在于：所述系统包括氧气瓶(1)、氧弹量热仪(2)、温度传感器(3)、第一压力传感器(4)、第一阀门(5)、第二阀门(6)、过滤器(7)、干燥器(8)、真空泵(9)、气体分析仪(10)，第二压力传感器(11)；
氧气瓶(1)的出口通过第一阀门(5)连接氧弹量热仪(2)的入口，氧弹量热仪(2)的出口通过第二阀门(6)连接过滤器(7)的入口，过滤器(7)的出口连接干燥器(8)的入口，干燥器(8)的出口连接真空泵(9)的入口，真空泵(9)的出口连接气体分析仪(10)；
氧气瓶(1)和第一阀门(5)之间设置第一压力传感器(4)，第一压力传感器(4)用于测量氧气瓶(1)中的氧气的压力；氧弹量热仪(2)内设置温度传感器(3)和第二压力传感器(11)，用于测量氧弹量热仪(2)内温度和压力。
2.一种含灰固体燃料的多过程特性测量方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤一、构建含灰固体燃料化学可逆分离-可逆基准反应-可逆扩散的多过程热力学模型；
步骤二、基于含灰固体燃料化学可逆分离-可逆基准反应-可逆扩散的多过程热力学模型，分别建立含灰固体燃料分离反应和扩散的表达式；
基于含灰固体燃料分离反应和扩散的表达式建立含灰固体燃料化学的表达式；
步骤三、氧气和标定物质在含灰固体燃料的多过程特性测量系统中反应，通过过滤器、干燥器得到过滤器和干燥器的质量变化，通过气体分析仪得到反应后气体成分；通过氧弹量热仪测得氧气和标定物质反应热；
步骤四、基于过滤器和干燥器的质量变化、反应后气体成分、氧气和标定物质反应热修正步骤二中的分离反应扩散和化学的表达式，得到修正后含灰固体燃料的分离反应扩散和化学
3.根据权利要求2所述一种含灰固体燃料的多过程特性测量方法，其特征在于：所述步骤一中构建含灰固体燃料化学可逆分离-可逆基准反应-可逆扩散的多过程热力学模型；具体过程为：
含灰固体燃料化学可逆分离-可逆基准反应-可逆扩散的多过程热力学模型包括三个过程：
第一过程，将与含灰固体燃料进行反应的氧气从环境基准压力P0和温度T0中分离出来，得到氧气分离
第二过程，含灰固体燃料和氧气在环境基准压力P0和温度T0下进入氧弹发生可逆基准反应，产物为环境基准物中的纯物质，含灰固体燃料和氧气在P0和T0下离开氧弹，得到第二过程的最大有用功，即化学反应
第三过程，产物在环境基准压力P0和温度T0下扩散至环境基准压力P0和温度T0，得到产物扩散
所述多过程为第一过程、第二过程和第三过程。
4.根据权利要求3所述一种含灰固体燃料的多过程特性测量方法，其特征在于：所述步骤二中基于含灰固体燃料化学可逆分离-可逆基准反应-可逆扩散的多过程热力学模型，分别建立含灰固体燃料分离反应和扩散的表达式；
基于含灰固体燃料分离反应和扩散的表达式建立含灰固体燃料化学的表达式；
具体过程为：
第一过程的分离通过氧气的扩散来确定，公式为：
式中：ExS为分离R为摩尔气体常数，为O2的物质的量，单位为mol；为O2分压力，P0为环境基准压力，取值为1.01×105pa，T0为环境基准温度，取值为25℃；
第二过程的最大有用功为反应也为标准反应自由焓的负值：
ExR＝-ΔG0＝-ΔH0+T0ΔS0 (2)
式中，ExR为反应ΔG0为标准反应自由焓，ΔH0为标准反应热，ΔS0为基准条件下的熵差；
第三过程扩散包括灰分和气体两部分：
式中，ExD为扩散i为灰分成分，单位为kg；j为气体成分，单位为mol；mi为灰分成分的质量，单位为kg；exi为单位质量灰分的mj为气体成分物质的量，单位为mol；为标准情况下的气体组分比例；
含灰固体燃料的化学为分离反应和扩散之和：
5.根据权利要求4所述一种含灰固体燃料的多过程特性测量方法，其特征在于：所述步骤三中氧气和标定物质在含灰固体燃料的多过程特性测量系统中反应，通过过滤器、干燥器得到过滤器和干燥器的质量变化，通过气体分析仪得到反应后气体成分；通过氧弹量热仪测得氧气和标定物质反应热；具体过程为：
关闭含灰固体燃料的多过程特性测量系统第一阀门(5)和第二阀门(6)，打开第一阀门(5)，氧气瓶(1)中的氧气通过第一阀门(5)进入氧弹量热仪(2)，通过第一压力传感器(4)控制进入氧弹量热仪的氧气量，当进入氧弹量热仪(2)的氧气量达到阈值，关闭第一阀门(5)，向氧弹量热仪(2)放入标定物质，氧气和标定物质反应，当氧弹量热仪内(2)的温度传感器(3)和第二压力传感器(11)同时达到P0和T0时，打开第二阀门(6)，氧气和标定物质反应后的气流依次通过过滤器(7)、干燥器(8)、真空泵(9)、气体分析仪(10)，通过过滤器(7)、干燥器(8)得到过滤器(7)和干燥器(8)的质量变化，通过气体分析仪(10)得到反应后气体成分；通过氧弹量热仪(2)测得氧气和标定物质反应热；
P0为环境基准压力，取值为1.01×105pa，T0为环境基准温度，取值为25℃；
阈值为人为设置。
6.根据权利要求5所述一种含灰固体燃料的多过程特性测量方法，其特征在于：所述步骤四中基于过滤器和干燥器的质量变化、反应后气体成分、氧气和标定物质反应热修正步骤二中的分离反应扩散和化学的表达式，得到修正后含灰固体燃料的分离反应扩散和化学
具体过程为：
步骤三中氧弹量热仪2为闭口系统，测量的反应热为闭口系的反应热；式(4)中的-ΔH0为开口系的标准反应热，开口系和闭口系的标准反应热通过下式转换：
式中，为定容条件下的标准反应热，Δmj为气体成分物质的量的变化量，单位为mol；
对反应做压力的修正，压力修正项表述为：
式中，p为氧氮内压力；V为氧弹量热仪；
因此，含灰固体燃料化学的表达式修正为：
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