谈一谈燃料的发热量
1简述
1.1发散性思考
在无机非金属热工领域，再怎么强调燃料发热量的重要性可能都不过分。当我写这篇文章的时候，其实是很感慨的。怎么说呢？虽然很多人认为燃料发热量是基础的不能再基础的问题，但是我总感觉我们恰恰应该关注类似“燃料发热量”这类的基础问题。虽然机理和理论很明确并且也很成熟，但是我们能否可以或已经把这些内容合理与科学地嵌入到我们各个高温工业的信息化与数字化应用场景中？特别是无机非金属材料生产制造领域，感觉我们还没有或者欠缺将这些简单且冗杂的机理模型合理整合在一些能源低碳管理应用系统和平台。
我们有些的系统可能偏重于DCS的辅助控制，有些系统可能关注或者整合了一些智能化的高级算法，但是我感觉，其实这些是“顶楼问题”甚至是“外立面问题”。如果深究其理，所有听上去高深的智能算法毫无疑问都依赖于非常底层与基础的数据。我们其实更应该关注这些“地基问题”。而这些地基性问题，其实我感觉是我们企业包括使用燃料方面在内的基础数据的机理性建模与高效应用。
说白了，我们可以关注并欣赏那些“炫酷”的系统平台，但是评价这些系统的时候，其实应该更加关注类似于燃料发热量这样的“根技术”。这个“关注”可能指的是某一个生产工艺系统所需燃料热值的周期性变化统计分析、热值统计性结论汇总、热值变化与设备运行的关系分析，以及工厂级快速测定与分析的专家系统。
我们国家具有强大的生产制造能力，相比于其他国家，其实有着无与伦比的丰富且完整的应用场景。这虽然为数字化与智能化提供了快速发展的“沃土”，但是产业界，可能都还没有完全“沉淀”下基于数据收集、分析与整合利用的“历史”和“文化”。比如，我国可能还没有形成一套基于我国国情，且整合相关机理模型的工业分析CAE软件。“科技没有捷径”，这个过程可能无法跨越。我们与欧美发达国家差距的根源，可能就是这里。
1.2概念的引出
好了，让我们聚焦于发热量这个话题。
无机非金属材料的制造需要巨大的热量，而燃烧产热则是这些热能的来源。从另一个角度讲，燃烧产热的热能来自燃料的化学能。燃烧的本质就是燃料释放化学能的过程。那么在该过程中能够完全释放出来的化学能就是燃料的发热量，也称为热值。
发热量的定义为：单位质量（固体燃料或液体燃料）或者单位标准状态体积（气体燃料）的燃料完全燃烧后，燃烧产物冷却到燃烧前温度时所放出的总热量。常用单位是kJ/kg或kJ/m3。
衡量燃料品质好坏的重要指标之一就是其发热量。燃料的发热量直接决定了燃烧设备的设计和生产工艺操作的执行措施，同时也是相关高温工业绿色低碳技术创新与改造的基础依据要素。
2关于热值分类的讨论
倘若追根溯源，燃料发热量的高低，其实决定于其成分组成。燃料不同的组成，当被点燃时显现了不同的热值。可以说燃料物质的组成是“因”，燃烧是“条件”而其具体发热量则是“果”。所以我们关注热值，必须结合燃料的组成去分析和研究。
另外，水分是一个非常需要注意的成分，因为在不同的压力下，其凝结与气化的温度不同，而发生相变的同时也伴随着较大的热量的释放与吸收。可以想象，当燃料中含有水分，或者燃料中其他成分燃烧后产生水分（含氢元素时）时，这就需要我们在不同的基准条件下去评价燃料的发热量。
比如我们可以指定这样的基准：燃料燃烧后，其燃烧产物中的水蒸气完全冷却，释放凝结热后的热量。也可以考虑现实热工设备运行情况下，其烟气温度在常压下高于水蒸气凝结点，水蒸气依然处于气态，尚未释放其凝结热，并将此时状态作为一种热值的基准。
鉴于以上分析，我们说燃料的发热量有高位发热量和低位发热量两种。
高位发热Qgr量指燃料完全燃烧后，燃烧产物中的水蒸气完全冷凝为水时所释放出来的总热量。低位发热量Qnet指燃料完全燃烧后，燃烧产物中的水蒸气仍然以气态形式存在时所释放出来的热量。显然，高位发热值要大于低位发热值，而水的凝结放热（与汽化潜热等值）可以近似取2300kJ/kg。
3燃料生成水量的计算
以收到基为基准，水分包含两个部分：一是收到基中的全水，二是燃料中氢元素燃烧后产生的水。假设有1kg燃料（固体或者液体燃料），燃烧后生成的水量计算过程如下。
于是收到基水分为：
分析上式，也就是燃料质量乘以一个水分占总燃料质量的一个比值。根据氢燃烧方程式，通过元素摩尔质量比可得到氢燃烧产生水的质量：
于是我们得到，1kg燃料燃烧后生产的水量为：
4不同基准发热量换算
4.1对固体燃料来说，收到基燃料的高位热值与低位热值之间的转化公式为：
此时我们不能忘记，对于固体燃料（如煤）来说，存在四种基准，以上公式就对应有四种形式：
4.2对气体燃料来说，1m3标准状态下，湿基气体燃料可燃成分燃烧生成的水量为：
用以上每标立方米生成水的质量乘以水的凝结热，我们就可以得到高低位发热量的差值：
于是通过以上公式得到我们需要的高低位发热量的换算公式。其实，也就是差了个水的相变热。1m3标准状态下，湿基气体燃料燃烧高位热值与低位热值之间的转化公式为：
一般情况下，燃气气质报告都会给出相应的高位发热量，以及干基化学成分占比。我们可以向检测机构或者供气单位获取湿基燃气的水蒸气含量占比，将干基化学成分转换成湿基化学成分数据。然后根据高位与低位热值换算公式得到低位发热量。燃气的高、低位热值通常相差为10%左右。
5发热量的测定与计算
5.1发热量的测定
无论是用能统计分析还是企业碳排放核查，包括产品碳足迹的计算，都需要知道燃料的发热量。企业（如水泥企业）一般会自行通过量热仪（如氧弹）进行自测或者送到具有资质的第三方进行测定。
我们发现，在热值检测过程和报告中，经常出现这么几个发热量：
弹筒发热量，单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧产物组成为氧气，氮气、二氧化碳、硝酸和硫酸、液态水以及固态灰时放出的热量称为弹筒发热量。
恒容高位发热量，恒容高位发热量即由弹筒发热量减去硝酸生成热和硫酸校正热后得到的发热量。
恒容低位发热量，恒容低位发热量即由高位发热量减去水(煤中原有的水和煤中氢燃烧生成的水)的汽化热后得到的发热量。
低位发热量是在高位发热量基础上，扣除各种水分汽化的热量后，所得到的数值。高位发热量就是弹筒发热量减去硝酸和硫酸生成热后的发热量。弹筒发热量是测试出来的总发热量。
从以上论述我们可以看出，发热量的检测与分析，需要全面考虑，不但要考虑生成水的量，也需要考虑某些化学过程的放热问题。
5.2发热量的计算
发热量的计算是建立在燃料成分组成分析的基础上的。人们根据一些方法和总结出来的经验公式，可以实现对发热量的计算。
固体燃料，建议使用以下公式来计算低位发热量：
若已知煤的全硫分析结果可以使用：
液体燃料，如果已知其元素分析测定结果，可以使用以下半经验半理论公式来计算其低位发热量：
气体燃料，如果知道其湿基含量，那么使用以下公式计算低位发热值：
以上是关于燃料发热量的一些思考和介绍，这部分内容相当于我的无机非金属材料热工课程的一个部分，大家可以配合我的视频讲述，对此部分内容进行了解。另外，视频内容里，我主要是想给大家演示推导一下公式的由来，欢迎关注。
