鍋爐與co2減排俞建洪集美大學(xué)ppt-熱能轉(zhuǎn)換與利用中的節(jié)能技術(shù).ppt

熱能轉(zhuǎn)換與利用中的節(jié)能技術(shù) 俞建洪 集 美 大 學(xué) 2005年4月,1.基本概念和基本原理 2. 熱能轉(zhuǎn)換與利用中的節(jié)能技術(shù) 3. 可再生能源 4. 辨別節(jié)能技術(shù)中的偽科學(xué) 5.總結(jié),. 基本概念和基本原理,.熱能資源 .熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律 .節(jié)能的基本分析方法熱平衡法 .熱平衡法簡介 .設(shè)備熱平衡以鍋爐熱平衡為例,1.1 熱能資源,熱能是人類使用最為廣泛的一種能量形式，有的能源是轉(zhuǎn)換成熱能后再加以利用。在一次能源中，熱能資源也占了絕大部分。最主要的常規(guī)能源有化石燃料，新能源有太陽能、核能、地?zé)崮艿取?1.2 熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律,自然界基本定律：能量守恒與轉(zhuǎn)換定律 熱力學(xué)第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象上的應(yīng)用，它揭示了能量在量上的特性。 熱力學(xué)第二定律涉及能量傳遞的方向和深度的問題，是能量在質(zhì)上的特性。所謂能的質(zhì)量是指能的品位或能的可用性。能量在其傳遞或轉(zhuǎn)換過程中，品質(zhì)是逐漸降低的，即能量貶值。 能量在數(shù)量上的守恒性和在質(zhì)量上的貶值性（不可逆）是其最重要兩個(gè)特性。,1.3 節(jié)能的基本分析方法 熱平衡法,熱平衡法是建立在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)上的能量分析方法，主要考察系統(tǒng)熱量的平衡關(guān)系，揭示能在數(shù)量上的轉(zhuǎn)換和利用情況，從而確定系統(tǒng)的能利用率或能效率（熱效率）。,1.4 設(shè)備熱平衡以鍋爐熱平衡為例,1.4 .1固體燃料的熱平衡方程式： Qr =Q1 +Q2 +Q3 +Q4 +Q5 +Q6 (kJ/kg) （1-1） 熱平衡方程的百分比表示式： 100% = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6 (%) （1-2） 對(duì)于固體燃料， q2 和 q4高； 對(duì)于液體燃料， q2 高， q很小，q60 ； 對(duì)于氣體燃料， q2 高，q40， q60 ;,1.4. 2.鍋爐熱效率,(1)正平衡熱效率： = q1 = Q1 / Qr 100% （1-3） (2)反平衡熱效率：從式（1-2）可得 = Q1 / Qr 100% =1 -（ q2 + q3 + q4 + q5 + q6 ） （1-4）,2.熱能轉(zhuǎn)換與利用中的節(jié)能技術(shù),2.1 工業(yè)鍋爐提高熱效率的有效途徑 2.2 余熱利用 2.3 熱電聯(lián)產(chǎn)和集中供熱 2.4 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán) 2.5 分布式能源利用系統(tǒng) 2.6 建筑節(jié)能 2.7 清潔、高效新型燃料,2.1 工業(yè)鍋爐提高熱效率的有效途徑,2.1.1 燃煤鏈條鍋爐 存在問題： 因q2 和 q4高，熱效率低，一般； 污染嚴(yán)重。 措施: (燃燒無煙煤鏈條鍋爐) 合理布置前后拱，及時(shí)著火，提高燃燼； 合理配風(fēng)，控制過量空氣系數(shù)，熱風(fēng)； 二次風(fēng) 。,.1.2 循環(huán)流化床（CFB）鍋爐,* 概述 * 存在問題： 鍋爐熱效率比煤粉爐低,大約85%;主要原因是飛灰含碳量高，大約達(dá)25%。 * 措施： 設(shè)計(jì)時(shí)選擇合適的流化氣速，爐膛高度，保證煤顆粒在爐內(nèi)獲得充足的停留時(shí)間； 保持床層和爐膛950以上的高溫，以提高飛灰燃盡率; 要正確設(shè)計(jì)燃料破碎系統(tǒng),減少飛灰份額; 選擇一個(gè)高效的分離器。,2.1.3油、氣鍋爐,對(duì)于油爐：由于先進(jìn)的燃燒器和成熟的本體設(shè)計(jì)，柴油燃盡率和排煙溫度都可控制到理想程度，故油爐提高熱效率已沒有多少余地。但重油還有余地。 如果本體設(shè)計(jì)有缺陷，排煙溫度過高，可根據(jù)燃燒器背壓余量布置熱管省煤器。 對(duì)于氣爐：大量水蒸氣攜帶著可觀的汽化潛熱離開鍋爐。這部分熱量約占天然氣低位發(fā)熱量的14 % 。它等于燃料高低位發(fā)熱量之差。 盡可能多地通過鍋爐受熱面或特殊換熱器把排煙中的水蒸氣凝結(jié)下來，回收其熱量，就能較大幅度地提高鍋爐熱效率。,重油燃燒技術(shù),目的：提高霧化質(zhì)量，降低q4和顆粒物排放 霧化技術(shù): 轉(zhuǎn)杯霧化和氣泡霧化 降低黏度: 預(yù)熱或摻適量輕油 摻水燃燒: 合理摻水率可降低q4和煙氣黑度 ( 見結(jié)構(gòu)圖 ),轉(zhuǎn)杯霧化技術(shù),6500/min 高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯 -離心力作用導(dǎo)致油膜越來越薄 高壓(由高速旋轉(zhuǎn)葉片升壓至000mm H2O 以上，風(fēng)速達(dá)100m/s)的一次風(fēng)(風(fēng)量的10%)把薄油膜粉碎至幾十微米顆粒。,氣泡霧化噴嘴技術(shù),氣泡霧化噴嘴技術(shù)是用氣泡作為霧化的動(dòng)力，利用氣泡 的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)、變形直到出口爆破來產(chǎn)非常細(xì)小的液霧。 主要特點(diǎn)為: （1）液霧顆粒粒度小(索太爾平均直徑SMD40m)，尺寸 分布均勻(尺寸分布指數(shù)N2)； （2）霧化效果基本不受燃油粘度大小的影響,粘度使用范圍 寬，為70E(即燃油需具有流動(dòng)性)； （3）燃燒完全，不冒黑煙,燃燒效率達(dá)99.5%以上，燃燒產(chǎn)物 中污染物低于國家環(huán)保局規(guī)定的各項(xiàng)指標(biāo)； （4）火焰長度、火焰錐角、火焰形狀及噴油量可按用戶要求 設(shè) 計(jì)； （5）燃燒器不結(jié)焦、不堵塞； （6）火焰剛性強(qiáng)，噴射速度高； （7）霧化效果不隨流量大小影響，流量調(diào)節(jié)比大，可達(dá)1:5,天然氣是優(yōu)質(zhì)低碳燃料 a. 天然氣主要成分為CH4，氫與炭重量比大約為1:3 ; b. 氫發(fā)熱量為125 .6MJ/kg，炭發(fā)熱量為33 .7 MJ/kg 氫的發(fā)熱量是炭發(fā)熱量的3 .7倍； 結(jié)論： 在CH4中，氫對(duì)天然氣熱值的貢獻(xiàn)大于炭。 天然氣是低炭燃料。（見下表）,例： 陜北天然氣成分 （）,CH4 C2H6 C3H8 C4H10 H2S N2 95.9494 0.9075 0.1367 2.0062 0.0002 1.0,冷凝式鍋爐,將排煙溫度降到足夠低，以使煙氣中的水蒸氣凝結(jié)下來，凝結(jié)水的汽化潛熱得以回收利用，甚至按低位發(fā)熱量Qnet，v為基準(zhǔn)計(jì)算的熱效率可能達(dá)到或超過100%的鍋爐稱為冷凝式鍋爐。 根據(jù)陜北天然氣的定量計(jì)算可得，每凝結(jié)10%的水，鍋爐熱效率可提高約1.2%。 冷凝式鍋爐分為接觸式和非接觸式兩種 冷凝式鍋爐的腐蝕問題及其對(duì)策,2.2 余熱利用,2.2.1 余熱資源 2.2.2 余熱利用方式 2.2.3 熱管和熱泵技術(shù) 2.2.4 熱能的貯存系統(tǒng),2.2.1 余熱資源,余熱資源屬于二次能源。 衡量余熱資源不僅要看數(shù)量，還要看質(zhì)量。 按余熱溫度范圍可分：高溫余熱（500）；中溫余熱（250500）；低溫余熱（250）,2.2.2余熱利用方式,直接利用 （1）預(yù)熱空氣或煤氣 （2）預(yù)熱或干燥物料 （3）生產(chǎn)蒸汽或熱水 （3）余熱制冷，作為吸收式制冷機(jī)的熱源 余熱發(fā)電 （1）利用余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，按凝汽式機(jī)組循 環(huán)或背壓式供熱機(jī)組循環(huán)發(fā)電 （2）以高溫余熱作為燃?xì)廨啓C(jī)工質(zhì)的熱源 （3）采用低沸點(diǎn)工質(zhì)回收中低溫余熱,2.2.3 熱管技術(shù),1熱管 2. 熱管換熱系數(shù),熱管換熱器,鋼水熱管的特點(diǎn)：很高的傳熱能力；很強(qiáng)的熱流密度變換能力；傳熱效率高；工作可靠等。 余熱回收中的應(yīng)用舉例： （1）熱管開水器 （2）熱管空氣預(yù)熱器或熱管省煤器 分離式熱管換熱器 返回,2.2.4 熱能的貯存系統(tǒng),對(duì)蒸汽能量進(jìn)行貯存的設(shè)備稱為蓄熱器。實(shí)用的蓄熱器是以熱水作為載熱體，將熱能貯存在高壓飽和熱水中，然后利用降壓閃蒸產(chǎn)生蒸汽。 變壓式蓄熱器：工作壓力0.52.0MPa；工作溫度200300 針對(duì)許多工業(yè)部門（例如造紙、印染、食品、化工、橡膠等）的用汽設(shè)備對(duì)蒸汽的需用量往往是不均衡的，波動(dòng)很大，因此供汽鍋爐負(fù)荷也會(huì)變動(dòng)，蒸汽壓不穩(wěn)，造成鍋爐工況不穩(wěn)，效率下降，則最適用與采用蓄熱器。 設(shè)置蓄熱器后，其經(jīng)濟(jì)效益的大小是取決于用汽負(fù)荷波動(dòng)的幅度及頻繁程度。,2.2.蓄冷技術(shù),意義 冰蓄冷 水蓄冷,2.2. 載熱體加熱爐,優(yōu)勢(shì): 高溫低壓，不用水處理； 載熱體介質(zhì)：礦物油，鹽； 運(yùn)行注意點(diǎn)：介質(zhì)析碳，受熱面結(jié)焦（例） 運(yùn)行時(shí)要監(jiān)控盤管進(jìn)出口壓差和溫度. 此外，礦物油要過濾和補(bǔ)充,2.3 熱電聯(lián)產(chǎn)和集中供熱,目的：提高能源利用率，達(dá)到CO2減排。 國家規(guī)定5萬kW以下小型火電機(jī)組要關(guān)閉；但熱電聯(lián)產(chǎn)可以上（只要總效率大于45%，熱電比大于1）。改造或新建可選擇CFB鍋爐 集中供熱：可選擇大容量高效率的鍋爐替代眾多低效高污染的小型鍋爐。 在熱電聯(lián)產(chǎn)的建設(shè)中，從以燃煤為主的熱電廠向燃?xì)獾臒?、電、氣三?lián)供熱電廠發(fā)展；分布式熱電冷聯(lián)產(chǎn)也得到迅猛發(fā)展。 熱、電、煤氣三聯(lián)供 （整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)）,2.4 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán),燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)利用了燃?xì)鈧?cè)高溫吸熱和蒸汽側(cè)低溫放熱的特點(diǎn),使得聯(lián)合動(dòng)力裝置的總效率比常規(guī)的高參數(shù)純蒸汽動(dòng)力裝置的效率(最高約為40%)高得多。 由于聯(lián)合循環(huán)熱效率達(dá)55%和天然氣中含有大約25% (重量比)的氫氣這兩個(gè)因素，使得天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠單位發(fā)電量所產(chǎn)生的溫室氣體CO2減小了50。 整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC-Integrated Gasification Combined Cycle）發(fā)電系統(tǒng)，是將煤氣化技術(shù)和高效的聯(lián)合循環(huán)相結(jié)合的先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)。它由兩大部分組 成，即煤的氣化與凈化部分和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。,2.5 分布式能源利用系統(tǒng),1、概述 2、特點(diǎn) 3、分布式區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),分布式能源利用系統(tǒng)概述,當(dāng)前，全世界都在推動(dòng)第二代能源系統(tǒng)的建設(shè)。第二代能源系統(tǒng)具有6個(gè)方面的主要特征：一是燃料的多元化；二是設(shè)備的小型化、微型化；三是冷熱電聯(lián)產(chǎn)化；四是網(wǎng)絡(luò)化；五是智能控制和信息化管理；六是高標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保水平。 分布式能源系統(tǒng)(Distributed Energy System，簡稱DES)是相對(duì)于傳統(tǒng)的集中式能量系統(tǒng)(Concentrated Energy System,簡稱CES)而言的。在這個(gè)系統(tǒng)中,集合了分布式供電、制冷、采暖、生活衛(wèi)生水以及其他形式的熱能于一體,將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模、分散式布置在用戶附近,可獨(dú)立地輸出電、熱和冷能的系統(tǒng),此系統(tǒng)中的主要部分就是分布式供電和冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（ Cooling-heating-power Cogeneration，簡稱CCHP）。同時(shí),應(yīng)用最新的信息化和智能化技術(shù)管理和控制系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化、智能化、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的目的。,“高參數(shù)、大機(jī)組、大電網(wǎng)”集中式供電將仍然長期是我國電力發(fā)展的主要方向，小微型分布式電源是集中式電源系統(tǒng)的重要補(bǔ)充。它增加了電網(wǎng)的質(zhì)量和可靠性。 小型或微型燃?xì)廨啓C(jī)CCHP分布式電源總能效高；總投資（含輸變電設(shè)備等）與大型集中式電源相當(dāng)或略低；燃機(jī)性能好，運(yùn)行可靠，大修期長；具有很好的經(jīng)濟(jì)性。,天然氣是比輕柴油還要潔凈、低炭的優(yōu)質(zhì)燃料，且可比價(jià)格與輕柴油相當(dāng)，通過綜合梯級(jí)利用可獲得更高經(jīng)濟(jì)效益。小型或微小型燃?xì)廨啓C(jī)CCHP分布式電源系統(tǒng)正是天然氣利用的最好模式之一。 歐美國家小微型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品成熟，性能好；與同容量柴油機(jī)分布式電源相比，小微型燃?xì)廨啓C(jī)分布式電源還具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠性高、低噪音、低振動(dòng)等多方面優(yōu)勢(shì)。它是分布式電源的首選主機(jī)。,冷熱電聯(lián)產(chǎn)(CCHP)是一種建立在能量梯級(jí)利用概念基礎(chǔ)上,通過能量梯級(jí)利用原理,使鍋爐(或其他熱工設(shè)備)產(chǎn)生的具有高品位的熱能蒸汽通過汽輪機(jī)發(fā)電,同時(shí)冬季利用燃汽輪機(jī)抽汽或排汽向用戶供熱,夏季利用吸收式制冷機(jī)向用戶供冷以及全年提供衛(wèi)生熱水或其它用途的熱能的一體化多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng) 。 冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是以下系統(tǒng)的集成:發(fā)電設(shè)備、熱工系統(tǒng)、鍋爐或蓄熱系統(tǒng)、通風(fēng)/室內(nèi)空氣品質(zhì)系統(tǒng)以及建筑控制和系統(tǒng)集成技術(shù)。,發(fā)展CCHP系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),(1)發(fā)展CCHP系統(tǒng)有助于提高能源利用率 CCHP系統(tǒng)可大幅度提高能源利用率,其能 源綜合利用率可達(dá)到80%90%。 (2)發(fā)展CCHP系統(tǒng)有助于環(huán)境的保護(hù) CCHP系統(tǒng)CO2排放僅為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的 30%50%。 (3)發(fā)展CCHP系統(tǒng)有助于緩解電力高峰負(fù)荷 (4)發(fā)展CCHP系統(tǒng)可以提高供電安全性,分布式區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),分布式區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的功能與傳統(tǒng)冷熱電聯(lián)供相同，均可向周邊區(qū)域提供冷、熱和電力，但由于其相對(duì)獨(dú)立，因此又稱為“能源島系統(tǒng)”（簡稱“能源島”）。在能源島中，發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模（數(shù)千瓦至數(shù)兆瓦），分散布置的方式建在用戶附近，獨(dú)立地輸出電、熱或冷。 天然氣能源島系統(tǒng)的核心是熱電轉(zhuǎn)換裝置與熱冷轉(zhuǎn)換裝置，就我國現(xiàn)有的技術(shù)條件看，關(guān)鍵技術(shù)在于小型或微型的熱電轉(zhuǎn)換裝置。如前所述，國際上現(xiàn)已投入商業(yè)化運(yùn)用的能源島。,微型燃?xì)廨啓C(jī)CCHP經(jīng)濟(jì)性分析 相同熱功率Bowman TG80型微型燃機(jī)CHP與燃?xì)忮仩t比較,2.6 建筑節(jié)能,1、我國建筑能耗現(xiàn)狀 2、我國建筑節(jié)能工作現(xiàn)狀 3、建筑節(jié)能技術(shù),我國建筑能耗現(xiàn)狀,我國建筑能耗高首先體現(xiàn)在耗量大。年前我國建筑能耗總量達(dá)億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全社會(huì)總能耗的。 建筑能耗高的另一個(gè)原因是能效低。整個(gè)供熱系統(tǒng)綜合效率遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的水平。公共建筑中央空調(diào)系統(tǒng)的綜合運(yùn)行效率也較低。特別是我國建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能普遍較差，與氣候條件接近的發(fā)達(dá)國家相關(guān)指標(biāo)對(duì)比，我國建筑外墻、屋頂、門窗傳熱系數(shù)和空氣滲透率要高出幾倍。,我國建筑節(jié)能工作現(xiàn)狀,目前我國的建筑節(jié)能工作主要圍繞提高建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能和提高供熱制冷系統(tǒng)效率兩個(gè)方面展開。 近幾年又在太陽能、風(fēng)能、地?zé)?、生物質(zhì)能等新能源和可再生能源的利用方面開展了一些工作。,建筑節(jié)能技術(shù),圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能成套技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展適用于不同氣候條件的各種節(jié)能墻體、屋頂以及門窗，特別是外墻外保溫技術(shù)和高效節(jié)能窗技術(shù)，包括用粘貼、釘掛、澆入和涂抹等方法固定高效保溫材料的多種外墻外保溫技術(shù)，以及采用中空密封玻璃、低發(fā)射率玻璃、充惰性氣體玻璃以及斷橋合金窗框、復(fù)合塑料窗框和活動(dòng)外遮陽簾等多種節(jié)能窗技術(shù)。開發(fā)各種新型高效節(jié)能墻體材料、保溫隔熱材料和高性能 建筑玻璃及其應(yīng)用技術(shù)。,2.7 清潔、高效新型燃料,清潔燃料型二甲醚 甲醇及醇醚燃料,清潔燃料型二甲醚,二甲醚簡稱DME (Dimethy Ether),DME在常溫常壓下為無色無味氣體。因其良好的理化性質(zhì),可廣泛地應(yīng)用于化工、日化、醫(yī)藥和制冷等行業(yè)。近幾年更因其燃燒性能好、清潔、辛烷值高、動(dòng)力性能好污染少等特性,用于車用替代燃料,具有天然氣、甲醇、丙烷、丁烷、柴油等不可比擬的綜合優(yōu)勢(shì)。,甲醇及醇醚燃料,甲醇及醇醚燃原料來源豐富，有害排放物少，機(jī)動(dòng)好，正在逐步進(jìn)入現(xiàn)有的車用燃料市場(chǎng)。 甲醇可由合成氣合成，煤炭、石油、天然氣、沼氣、生物質(zhì)等均可轉(zhuǎn)化為合成氣，因此，甲醇原料來源十分廣泛。甲醇可由 2 2 合成，在使用時(shí)，又可利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱重整為2 2 。利用核能或太陽能，二氧化碳和氫氣合成為甲醇，在發(fā)動(dòng)機(jī)中，甲醇先重整為二氧化碳和氫氣，氫氣可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料。 甲醇的抗爆震性能好，其辛烷值超過110，甲醇可以部分地代替芳烴作為汽油的辛烷值增進(jìn)劑，從而降低汽油中芳烴的含量。,3. 可再生能源,3.1 太陽能 3.2 地?zé)崮?3.3 海洋能 3.4 沼氣,太陽能及其利用方式,目前對(duì)太陽能的利用主要是通過兩條途徑: 光熱利用和光電利用。 光熱利用包括太陽能熱水器和熱水工程以及太陽能的吸附式制冷等。 光電利用現(xiàn)階段主要是直接利用,即采用太陽能電池進(jìn)行光電的直接轉(zhuǎn)換。 利用太陽能加熱工質(zhì),驅(qū)動(dòng)熱力機(jī)械循環(huán)做功發(fā)電,是太陽能光電轉(zhuǎn)換的第二種方式。,地?zé)崮芾梅绞?直接利用溫泉或熱水井的熱水供溫室或供暖用 建立地?zé)犭娬巨D(zhuǎn)換成電能 （1）利用干燥的過熱蒸汽和高溫水發(fā)電 （2）利用中等溫度（100）水通過雙流體循 環(huán)發(fā)電設(shè)備發(fā)電,3.3 海洋能,海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通過各種物理過程接收、儲(chǔ)存和散發(fā)能量，這些能量以潮汐、波浪、溫度差、鹽度梯度、海流等形式存在于海洋之中。 海水溫差能是熱能，低緯度的海面水溫較高，與深層冷水存在溫度差，而儲(chǔ)存著溫差熱能，其能量與溫差的大小和水量成正比。 潮汐、潮流，海流、波浪能都是機(jī)械能。,4. 辨別節(jié)能技術(shù)中的偽科學(xué),4.1 依據(jù): 能量守恒與轉(zhuǎn)換定律; 物質(zhì)不滅定律; 4.2 例子: 1) 納米油或納米油添加劑可大大提高效率 油的發(fā)熱量是其分子中C和H完全燃燒放出來 的，是可以精確算出的?，F(xiàn)代燃燒器燃燼率已很 高，額外熱量哪里來??？ 納米：1nm = 10 9 m, 是原子或分子級(jí)大小，加入 后能源使單位發(fā)熱量提高嗎？,2） 關(guān)于重油摻