化学能与物理能综梯级利用原理.pdf

中国科学 E 辑 工程科学 材料科学 2005, 35(3): 299~313 299 * ① ② ① ① ① 金红光 洪 慧 王宝群 韩 巍 林汝谋 ( , , 100080; , ①中国科学院工程热物理研究所 中国科学院研究生院 北京 ②北京科技大学机械工程学院 北京 100083) 摘要 尝试拓展传统热力循环的基本原理框架, 研究提出了化学能与物理能 品位综合梯级利用的新原理 建立了燃料物质能品位、化学反应 自由能品 . Gibbs 位和物理能品位三者关联的基本方程; 揭示了燃烧反应Gibbs 自由能的品位降低 和中低温热的品位提升耦合的化学能品位梯级转化利用规律 基于化学链燃烧、 ; 燃料重整的间接燃烧的研究, 提出了能量释放新机理. 关键词 化学能 梯级利用 能量释放新机理 传统联合循环中能源有效利用的基本原理是由吴仲华等人在 20 世纪 80 年代 提出的, 即能(物理能) 的梯级利用原理, 它奠定了传统的燃气轮机总能系统的集 成理论基础[1]. 迄今为止, 总能系统的研究仍局限于物理能梯级利用范围(物理能 的梯级利用大多所指稳流工质的热 的梯级利用), 不涉及化学反应过程中化学 能的能量转化利用问题. 很久以来, 直接燃烧几乎成为主要方式. 但是, 直接燃 烧方式存在的诸多弊端(如燃烧品位损失大、易产生环境污染物等)与能源环境相 容协调发展相悖[2] 因此 随着能源科学和与其密切相关的环境、化工等学科的 . , 交叉与渗透, 以及所涉及体系的复杂化, 尤其是对于可包容多种能源、物流输入, 并具有多种产出功能 如化工过程与热力循环整合)的能源与环境相容的多功能 ( 总能系统, 传统的物理能的梯级利用原理已不足以解决能源、化工、环境交叉领 域内超出热力循环范围的科学问题 因此 迫切需要探索建立能够突破物理能梯 . , 级利用范畴的能量转化利用的新原理[3]. 自 世纪 年代中期以来 将甲醇或甲烷重整的化学过程与燃气轮机热力 20 80 , 循环相结合的化学回热循环受到了广泛关注[4~10], 并且随着清洁合成燃料作为替 代燃料的发展, 该循环更加引人注目. 这类循环呈现出不同于传统热力循环的特 2004-06-02 收稿, 2004-10-28 收修改稿 * ( : 973( : G1999022302) 国家自然科学基金 批准号 和国家 批准号 资助项目 SCIENCE IN CHINA Ser. E Engineering Materials Science 300 中国科学 E 辑 工程科学 材料科学