制氢效率分析方法

1、制氢效率分析方法棍据质量守恒定律，在化学反应过程中，反应前后反应物的质量与生成物的质量是相等的，在制氢过程中，生成物包括混合气体跟焦油和煤焦等。所以本文所涉及的制氢的气化效率定义为：生咸气体混合物的质量与参与反应的原料质量的比值，它表征了在气化过程中制氢原料的转化程度。气化效率越高表明越多的原料在反应后转化成了气体。2.2能量转换效率分析方法随着经济的持续发展和人们£I：活水平的不断提高,人类对能源方面的需求t是越来越大.但是资源是冃限的t这就要求A们:p约能量和合理的使用能直t“化学工业的一个重要的特点就是工艺过程中温度压力的反复变化*通过这两个参数的变化来调控反应产物的种类+控制

2、反应的速率和转化率,引起相变达到分离混合物的目的参数的变化是通过消耗热直和功来实现的.因此化学工qk能源消耗极k的工业+化学工业的节能和降耗*对于节约人类赖以生存的不|才再主资源仃重要的意义°化学工4上的核心就是产品的合成和混合物的分离*现在许多资料把能iI:的综合利丿I【称为能量合成+把它敢在j反应和分离3等重要的位置,现在许多能源如石油、煤炭和天然气,他们既是能臺:获得的重要来源”又是化工生产的重要原材料,-p脊了能iI就相当于:p脊T能源*而这些能源是不|!'再生的*从这个恿义上来说也就相当于我们合成了新的能源。热力学的一项重要内容就是通过热力学分析指导人们在生产中合理

3、的使用能量*用最小的能量消耗获得最人的经疥效益。所谓过程的热力学分析，就是用热力学的方袪*对过程中的能量的转化、传递、使川和损失情况进行分析+揭示能i11消耗的多少、原因和部位*为改进过程提高能宣t利丿I【效率指明方向和方袪。川热力学的观点、方法来指导能量的合理利用己经成为现代热力学的一大任务。进行化工过程能量分析的理论基础是热力学第一定律和热力学第二定律。利用热力学这两k定律|川以计算过程的热和功,以及判斷过程的方向和限度一化工过程的热力学分析Il要种方法+能量衡算法+理想功、损失功和热力学效率法以及冃效能衡算和仃效能边率江飞2X1化I：过程热力了分析的三种方法及英比较（1）能量衡算法该方法

4、从热力学第一定律出发，对系统的能最进行衡算。它分析了化学反应过程中能量转化、利用的情况，并对能量数量进行平衡分析，并最终确定能量的利用效率。以生物质超临界水气化制氢系统为例,进行能ft衡算>r以分析生物质在气化反应前后燃烧焙的变化，以及反应浓度、反应温度等对制氮过榨能斎效率的影响。制氢过程的燃烧效率定义为：生警？鴛豐焙<2-1）制氢原料的燃烧焰式中，气体的燃烧焙可由文献皿川】查出。能量衡算法研究的足能量在数量上的平衡，考虑了能量的利用率，它为节约能fit指明了一定的方向,在实际工程中仍为主要的分析方法叫然而能a衡算法不能反应能最的品位的变化，所以，能最衡算法在衡杲能最转换效率方面不

5、是一个全面的的标准。能量除了数量上的不同还尙品位的不同，而能量衡算法是不能体现出来能量在品位方面的变化的,所以就产生了以f两种与之不同的能量分析方疙.（2）理想功、损失功利热力学效率法这种方法也叫做爛分析法,是以热力学第一定律和第:定律为基础,指出由于不对逆造成的实际过程对完全町逆过秤做功能力的偏差。通过热力完善度來揭示出实际过程到理想过程可改进的余地的人小。这种方法不仅能够像能量衡算法一样，找111能量在数值上的损失,而且町以明确的以数值来表示不可逆损失的大小以及引起的原因，指出能駅利用品位的变化，进而抬导节能.系统经过一个过程后，其爛的变化由爛平衡方程式可以得出：埼枳眾=爛进入熾离开+埼产

6、生（22）式中,埼”指的是因不稳定流动体系所积累的埔，即墻变。M是系统内部不可逆因素引起的埔变.爛产生的原因是能m的耗散，有序能耗散为无序能且被系统吸收，而导致埔的增加。爛“爛和指的是进入和离开系统的爛流，它包含因物质流动引起的壻流和随热流引起的热爛流。在各种能量流动中，只仃热量才能直接引起埔的流动，功的传递不会带來埔的流动流体也定的系统的埔平衡方程式为:利用爛分析法计算出装豐或过程的爛产，从而确定过程不可逆程度以及不可逆过程务消耗的附加功，提出提高能最利用率的途径及措施.达到改善实际过程的目的。附加功的表达式为:(2-4)/=|式中，£耳为工质流经装置或过程的总燔产。所以说爛分析法

7、，就是以公式(23)为基础，计算整个过程的埔平衡，从而揭示出系统的用能情况。(3) 歹效能衡算和有效能效率法此方法又称为州分析法.这种有效能衡算方法与第二种方法类似，基于热力学第一定律和热力学第二定律，也能够通过具体计算，以数值查明不可逆损失的来源及人小.烟是指在周用环境条件下，任一形式的能最中理论上能够转变为有用功的那部分能駅。在热力学的研究中，将自然环境抽彖为一个具仃不变压力Pu、不变温度Tu和不变化学组成的庞人而静止的系统，当它与任何系统发生能量和物质交换时，其压力、温度和化学组成仍保持不变，实际工程中任何热力过程不会影响它的状态参数.任何一个系统与环境处于热力学平衡状态称为环境状态。蜩

8、分析方法的主要内容如卜：首先，计算出物流畑和热流畑。物流畑包括进II原料的化学畑、气体产物的物理珈和化学畑，以及反应器输入的热駅畑。热彊咖是十热源温度命于环境温度兀时，从热源取得的热量&通过可逆热机对外界做出的谥k功：然后，由烟半衡方程：工化入+2X厂2X.出+%(2“)计算出娜损失。其中工厶入为系统进|畑为召为系统出丨1畑e”为系统的内部则损失知道了系统的州损失就能够求出系统的畑效率。用燃料则效率来衡昴:制氢原料在气化反应前后化学则的变化.燃料火用效率定义为卩叫(2-7)(2-8)生成混合气体的化学火用制氮原料的化学火用接着计算制氢过程的烟效率.它的表达式为卜oey反应产物的总火用值

9、（反应物的总火用值+热秋火用）总财值即物理卿加匕化学翊。其中物理物理姐是指相对不完全平衡环境状态，系统具有的帰物理姐由两部分组成，其一是在压力不变的情况卜，由于热不平衡引起的热烟，其二是在环境温度F.Ill于力不平衡引起的压力火用.理想气体混介物的除尔物理哪：（2-9）.zo.仏其中a混合气体在理想状态卜的平均定压热容Cpm=，X为气体混合物中组分/的摩尔分数/=!昆合气体中组分/在理想状况卜的定压热容対于真实气体，采用普遍化关系法、混合法则等#出真实气体的物聊咖为：EfJ（厂一人）一久Inf+化/+（2-10）进行物理火用计算时，需要考虑因压缩和混合引起的州变化1，即：“（ln（/）-（l-

10、/）+7ain£）（2-11）而燃料的化学州是指:化学标准状态下,燃料与氧气一起稳定流经化学反应系统时，以町逆的方式转变到完全平衡的环境状态所能作出的嚴人有用功，简称燃料畑。气体混合物的标准化学则以卜式计算：&亠工兀£1+尺人工兀山兀（2-12）/其中多为组分i的标准肆尔化学则冋ln.r：气体混合过程的姫损耗/煤的化学财的计算公式采用式子Eo=1423.079c+21.97N-25088.31h+4445.29(O+8984.93(S-(298.15)(0.71768)n(2-13)同样的在知道了生物质的元索分析Z后，借鉴上面的式了也能计算出生物质化学则的值。在计算

11、则时，还要确定其基准物以及垄准状态，基准物系和基准状态都fj一定的规定-化学蝴的计算主要有两种模型叫波兰学者斯嬢古特模型利11本学者龟山吉川模型。其中龟山占IH模型的环境温度为To=298.15K,环境压力为Po-latm.空气中含有的元素以空气相应的组成气体为基准物,以饱和湿空气的摩尔成分为丛准物的成分，具它尤索则以倉该尤索处稳定的纯物质作为基准物。而斯蔡古特模型同样的环境温度为To=29&15K,环境压力为Po=latm.无论是空气中含右的孑尤素还是其它尤索，其对应的基准物全部來用尺然物质，丛准物的成分或者浓度采用它在自燃界中的平均成分或者浓度O2.2J三种分析方法的对比三种分析方

12、法中产呦，能最衡算法皿简单，理想功，损失功分析法次之，仃效能分析法计算工作量最大。能钛術算法提供的过程评价指标是热力学笫一定彳|!，在热匚转化工程中IJ提供热效率。能III衡算法只能求川系统变化工秤中能秋的损失.不能得到由于不可逆W素引起的有效能损失的借息。实际上这些信息对节能来说更有意义,所以根据能量衡算法的情况，我们只能得到系统损失了多少能tO物料带进带出了多少能駅等t(*f况。随n能源价恪的捉高和节能总识的增强，这已经成为人们的常识.没竹经过热力学训练的人也懂得这些逍理。现在所讲的节能是更高层次上的节能.是如何减少能最中冇效能的损失,损失的冇效能中那些足我们必须付出的代价,哪些是可以避免

13、的。理想功、损失功分析法和有效能分析法盯以求出有效能损失的大小、原因和它分布的情况，还能从单个设备仃效能的损失及效率判断它们的热力完善度和节能潜力,便于指定正确有效的节能措施。因此这两种分析方法是评价生产装置能量利用的合理程度,探索降低能耗的有力工具.2么3合理用能的基本原则通过前面的内容可知，能量的合理利用是有章可循的。合理用能总的原则是,按照用户所需要能量的数量和质量来供给它。在用能过程中要注意以下几点。（1）防止能鼠无偿降级（能量品位降低）用高温热源去加热低温物料，或者将高压蒸汽节流降温、降压使用，或者设备保温不良造成的热量损失等情况均属于能量无偿降级现彖，要尽量避免。（2）合理组织能繭

14、利用梯度许多化学反应都是放热反应，放出的热量不仅数量人而且温度较高，这是化工过程一项宝贵的余热资源。对于温度较高的反应热应通过废热锅炉产生高压蒸汽,然后将高几?；：1/t通过蒸汽透平做功进行气体的爪缩或耆发电，同时从透平中的不同部位抽出不同压力的蒸汽作为工艺用气，最后用低压蒸汽作为加热热源使用。即采用先用功后用热的原则。对热量也要按其能级高低回收使用，例如用高温热源加热高温物料，用中温热源加热中温物料，用低温热源加热低温物料，从而达到较高的能量利用率。煤一步制氢目前基上处在实际应用的初级阶段，而生物质超临界水气化制氢系统目前基本匕都处实验室研究阶段.本文在研究制氢过程的能最转换效率的过程中主要考虑燃料的燃料效率和燃料州效率，找出影响能量转换效率的内素，对今后制氢过程中的能量更加高效的利用提供一定的理论指导。一般化工过榨在进