CN108760809B - 一种含灰固体燃料的多过程*特性的确定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
背景技术
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:
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
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。
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的确定系统及方法。
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。
本发明的有益效果为:
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。
附图说明
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的确定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。
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确定系统(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;
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;
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。
具体过程为:
ExR=-ΔG0=-ΔH0+T0ΔS0 (2)
式中,ExD为扩散i为灰分成分(比如煤燃烧后剩余的渣);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);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);
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确定系统(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确定系统第一阀门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);
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,p为氧氮内压力;V为氧弹量热仪的体积;
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
Claims (2)
所述多过程为第一过程、第二过程和第三过程;
具体过程为:
ExR=-ΔG0=-ΔH0+T0ΔS0 (2)
步骤三、氧气和标定物质在含灰固体燃料的多过程特性的确定系统中反应,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;其中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;
所述一种含灰固体燃料的多过程特性的确定系统包括氧气瓶(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;
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统的反应热;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,p为氧氮内压力;V为氧弹量热仪的体积;
2.根据权利要求1 所述一种含灰固体燃料的多过程特性的确定方法,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的确定系统中反应,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的确定系统第一阀门(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。
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