1.化学能与物理能综合梯级利用概念提出

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换利用问题。很久以来，直接燃烧几乎成为能量转换的主要方式。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。但传统的观点认为，燃烧过程的能损失是由燃烧的不可逆性造成的，因而是无法避免的。所以，长久以来，人们忽视了对减少燃烧过程能损失的研究，而将精力放在热力循环和热的梯级利用上。传统的化石能源动力系统中，借助燃烧技术，燃料化学能以热的形式释放出来，再由热力学循环实现热转功来输出有效功。

长期以来，热力循环的研究大多仅仅关注Carnot循环效率曲线下方，而热力系统中损失最大之处并非发生在物理能的传递与转换过程，而是发生在化学能转换物理能的燃烧过程。图3.5从能的品位的观点反映了燃烧过程燃料化学的利用。图中，纵坐标A表示能的品位，能的品位指能源所含有用成分的百分率。有用成分百分率越高，则品位越高。通常燃料化学能的品位都比较高，例如甲烷在燃烧时化学能品位A约为1.0。由于目前燃烧过程物理能的品位A_th可达到0.6～0.8，由此燃烧过程中燃料化学能与物理能之间存在较大的品位差（A₁-A_th），这一现象是造成燃烧反应损失大的根本原因。为了减小燃料化学能与物理能之间的品位差，真正实质性的突破应着眼于有效降低燃料燃烧侧化学能的品位。为此，需要在能源动力系统中对传统的燃烧过程进行革新，采取新的能量释放方式，研究能量释放过程化学能品位梯级利用的机理。

新的能量释放方式首先与化学反应过程相结合，通过化学反应过程可实现品位A₁到品位A₃的燃料物质化学能的有效利用，当具有A₃品位的燃料化学能通过燃烧转换为物理能时，由于燃料的化学能品位已在化学反应过程中从A₁下降到A₃，进而燃烧过程中化学能与物理能之间的品位差也由直接燃烧时的（A₁-A_th）降低到（A₃-A_th），从而减小燃烧过程能的损失。换言之，与传统的直接燃烧方式相比较，新的能量释放方式可以使燃料在燃烧前实现其化学能的有效利用。

图3.5 化学能与物理能综合梯级利用概念

2.化学能与物理能梯级利用原理

在能源动力系统中，物质化学能通过化学反应实现其能量转换。因此，物质能的转换势必与其发生化学反应的做功能力（Gibbs自由能变化ΔG）和物理能的最大做功能力（物理）紧密相关。

（1）物质、化学反应Gibbs自由能、物理关联性

根据热力学Gibbs自由能和的一般函数，对于一个化学反应的微分过程，其化学反应Gibbs自由能变化dG和变化dE可以表达为

式中，dH为过程的总能量变化（kJ/mol）；TdS为过程中以热形式出现的能量（kJ/mol）；dS为过程熵变化（kJ/K·mol）；T为反应温度（K）；T₀为环境温度（K）。将式（3.18）代入式（3.19）中，得到(www.daowen.com)

式中，TdS 代表了过程中以热形式出现的热 。热是物理 的一种表现形式。 表示Carnot循环效率η_c，即 。由此，式（3.20）可以写为

式（3.21）描述了物质 、化学反应Gibbs自由能和物理 的普遍关系。对于物质能转换利用的体系，物质能的最大做功能力dE由两部分组成：一部分是化学反应的做功能力dG，另一部分是过程产生的热 TdSη_c。可见，物质能的最大做功能力的有效转换利用涉及与Gibbs自由能变化紧密联系的化学反应和与热利用相关的热力循环。值得注意的是，dG不再单纯是化学反应的推动力，而是更注重其在化学反应过程中对外的做功能力。

（2）物质能、化学反应Gibbs自由能和物理能的品位基本方程

能的品位是用来评价某种形式能量转换为有用功能力的大小。品位A的概念是日本石田教授在1982年提出的，随后得到了广泛的应用与发展。通常，热的品位用Carnot循环效率来表征。接下来将阐述对于如何表征化学反应Gibbs自由能的品位，并介绍在物质能转换利用过程中，物质能、化学反应Gibbs自由能和物理能三者之间品位的关联。

对于物质能转换利用过程，将式（3.21）两侧同时除以过程总焓变化dH，可以得到如下的无量纲化的表达式：

式中，等号左边项dE/dH表示物质能的品位A，等号右边第一项dG/dH表示了化学反应体系每单位能量总焓变化dH的Gibbs自由能变化的大小。定义dG/dH为无因次量B，则

B的物理意义表征了化学反应Gibbs自由能的品位。B与特定化学反应过程有关，对于同一物质，因不同的化学反应过程，其化学Gibbs自由能的品位B也不尽相同。式（3.22）等号右边第二项TdS/dH反映了过程中以热形式出现的能量占过程总焓值变化dH的份额，即令Z＝TdS/dH；等号右边第二项Carnot循环效率η_c表征了热流TdS的品位。因此，式（3.22）可以改写为

从式（3.24）可以清楚地看出，物质能的品位A等于化学反应Gibbs自由能的品位B和反映物理能品位的Carnot循环效率η_c与Z的乘积之和。该式将物质能的转换利用以无量纲的形式表达，建立了物质能、化学反应Gibbs自由能和物理能的三者之间品位基本方程。式（3.24）与式（3.21）一样，对于任何物质能通过化学反应进行有效转换利用过程是普遍适用的。图3.6形象地表示了物质能的总品位A被分解为化学反应Gibbs自由能的品位B和Carnot循环效率η_c。

图3.6 物质能、化学反应Gibbs自由能、热能三者品位关系示意图