節(jié)能技術課件

能源利用與節(jié)能概論

一、能源與社會經濟發(fā)展人類利用能源歷史火、薪柴——原始社會煤——17世紀、18世紀冶煉業(yè)，蒸汽機，19世紀燃煤電力（發(fā)電機和電燈）石油——16~21世紀（油燈、內燃機）（一）能源是社會發(fā)展的物質基礎能源是指能夠轉換成熱能、機械能、電磁能和化學能等各種能量的資源。能源是人類賴以生存發(fā)展的物質基礎，也是現(xiàn)代發(fā)展工農業(yè)生產、交通運輸和提高人民生活水平的重要物質保證能源從何而來？地球壽命第一節(jié)人類恐龍能源危機20世紀70年代發(fā)生了2次能源危機：兩次中東石油危機1973年10月，中東的石油輸出國組織停止了對包括美國在內的許多西方國家的石油輸出。石油從25美分/加侖漲至1美元/加侖。

1979年伊朗總統(tǒng)霍梅尼上臺又一次卷入了石油危機。1.目前世界能源危機世界石油已探明儲量為1400億t，每年產量按34億t計，僅夠開采41年，到2050年全世界將面臨石油耗盡的局面;全球探明可采煤炭儲量10316.1億t，按目前的開采水平可開采200年以上;世界天然氣儲量為152萬億m3，按目前的開采水平可開采65年。41年65年200年2.我國能源危機現(xiàn)狀我國煤炭剩余可采儲量為900億t，可供開采不足百年；石油剩余可采儲量為23億t，僅可供開采14年；天然氣剩余可采儲量為6310億m3

，可供開采不過32年。

如何解決能源危機問題？既要節(jié)約使用，又要積極開發(fā)常規(guī)能源的生產：煤、油、電力積極開發(fā)利用新能源：核能、太陽能、生物質能、風能、地熱能、海洋能杜絕浪費：提高能源利用率什么叫節(jié)能？節(jié)能就是在滿足相同需要的前提下，減少能源消耗量。節(jié)能就是從能源生產、運輸、儲存到消費的各個環(huán)節(jié)減少能源損失和浪費，提高有效利用率。是指加強用能管理，采取技術上可行、經濟上合理以及環(huán)境和社會可以承受的措施，減少從能源生產到消費各個環(huán)節(jié)中的損失和浪費，更加有效、合理地利用能源。高效合理減少浪費節(jié)能減排：指的是減少能源浪費和降低廢氣排放。CO2排放氫的利用與節(jié)能有關的詞匯1.例：2008年初

我國南方的暴雪2.節(jié)能環(huán)保：除了新興替代能源以外，節(jié)能技術的推廣使用是解決能源問題的另一個重要手段，通常情況下節(jié)能技術同時也帶來環(huán)保的效果。例1：2008奧運青島滸苔1990年后我國有157次較大規(guī)模的赤潮，2000年發(fā)生28次例2：松花江污染節(jié)能降耗：指的是減少能源浪費和降低能源損耗。節(jié)水節(jié)電節(jié)～據亞洲開發(fā)銀行的研究，如果中國的用電效率達到世界的平均水平，那么在2015年前中國不需要建新電廠（二）能源與國民經濟發(fā)展的關系年均能源消費增長率年均國民經濟增長率能源消費彈性系數=我國能源消費彈性系數變化圖二、能源利用和節(jié)能分析基礎

（一）能量利用的數量分析

能量分析基礎能量守恒定律：∑E入=∑E出+△E能量利用效率=有效能量供給能量能量利用效率=輸出能量輸入能量不變能量消耗的去向、大小，節(jié)能方向的目標能耗：能源消耗量包括：產品、過程和散失于環(huán)境中的全部能源消耗量綜合能耗：企業(yè)在計劃期內，對實際消耗的各種能耗進行綜合折算后所得的能耗量分類：直接能耗和間接能耗載能體：凡是在生產過程中消耗了能量的物質以及本身能產生能量的物體（二）能量利用的質量分析能量有質量差別“傭”是指物質或工質的有效能它表示在某一狀態(tài)下作最大功的本領，是一個熱力學狀態(tài)函數B=Wmax=(H-T0S)-(H0-T0S0)=△H-T0·△SWmax：最大有用功H：工質的焓S：工質的熵H0，S0，T0：工質狀態(tài)變化到與環(huán)境平衡時的焓、熵、溫度能量的傳遞具有方向性和限度B的另一個表達式：高溫熱源T向低溫熱源T0，熱量轉化為功的最大限度（有效能）：Wmax=Q.(T-T0)/T

=Q.(1-T0/T)溫度高低是衡量熱量質量的標志單位熱量的有效能只與溫度有關(1-T0/T)是熱能的品質系數熱源溫度越高，所含有效能越多節(jié)能——按質供能實際用能過程應該充分利用能源的有效能，即應按質多次逐級利用，盡量避免有效能的損失，充分利用能源的有效能就是節(jié)能。高質能→低質用戶（浪費）低質能→高質用戶（達不到）優(yōu)質方案：供能接近用能質量衡算方程∑B入=∑B出+∑D∑B入：投入系統(tǒng)的各股能流的有效能之和∑B出：離開系統(tǒng)的各股能流的有效能之和∑D：無效能之和有效能效率ηB=∑B出/∑B入（三）節(jié)能的一些基本理念直接節(jié)能、間接節(jié)能現(xiàn)代節(jié)能原則：能量的品質匹配——防止能量降質，逐級多次重復利用——“門當戶對”系統(tǒng)節(jié)能：針對管理、整體優(yōu)化能量的內部損失表現(xiàn)為外部損失（四）節(jié)能的經濟效果分析投資指標K，投資回收期T：T=K/L利潤額L由節(jié)能量Z決定：L=ZJ-SJ為當時能源價格，S投產后為維護費用T=K/（ZJ-S）只有技術上有節(jié)能效果，經濟上有顯著效益，社會可接受的節(jié)能項目才能決策上馬造成我國能源危機的原因？1）能源管理體制不完善、損失浪費嚴重。煤礦資源回收率僅在40％左右，照此下去到2020年，全國將有560億噸煤炭資源被浪費。2）高耗能產業(yè)快速增長，能源資源供應不足。據有關統(tǒng)計，中國煤炭消費總量排名世界第一，石油消費總量排名世界第二。3）能源利用率偏低，經濟增長方式粗放。一是在技術方面有差距，二是主要高耗能產品的能耗過高。加強管理提高技術三、管理節(jié)能和技術節(jié)能

（一）管理節(jié)能管理節(jié)能：就是以能源的科學管理求節(jié)能。能源系統(tǒng)工程學節(jié)能工作要細致既要“通力合作”，也要“疏通脖子”（二）技術節(jié)能革掉“電老虎”“油老虎”的落后工藝節(jié)能范例蒸汽的合理利用——按質匹配、熱電聯(lián)供技術三聯(lián)供技術——煤氣、化工、熱電工業(yè)余熱動力回收

“三聯(lián)供”技術“三聯(lián)供”技術：所謂的“三聯(lián)供”技術是以煤為一次能源，同時生產煤氣、化工原料和供電及供熱的系統(tǒng)節(jié)能技術。它大大提高了煤炭的利用率。發(fā)展“三聯(lián)供”技術的目的增加城市煤氣發(fā)展碳—化工發(fā)展新的煤氣化技術高效地產生熱電一、煤氣化技術煤氣化是借氣化劑使煤轉化為燃料氣或合成氣的過程，為達到一定的化學組成和足夠快的反應速度，通常在高溫(>900℃)和一定壓力下進行。

煤氣化技術的選擇原則

先進性原則。應盡可能采用先進和高新技術，達到國內領先并盡可能接近或超過國際水平。

適用性原則。我國煤種太多，應根據所在地煤的質量、品種和水的來源等實際情況來選擇合適的煤氣化工藝。另外，選什么氣化技術還必須結合下游產品來確定。

可靠性原則。可靠性是技術長周期、滿負荷、安全、穩(wěn)定運行的保證，也會使噴嘴、內襯使用時間延長。

安全環(huán)保原則。選擇的工藝技術應確保安全并實現(xiàn)清潔生產，盡量少排放“三廢”。

1.煤氣化過程的化學反應特征煤既可以用純氧或富氧進行氣化，也可以用空氣進行氣化。前者氣化所得的是中熱值煤氣；后音為低熱值煤氣，其中含有大量的隨空氣帶入的氮氣。

氣化過程中煤所含的碳元素只有一部分進行完全燃燒變成CO2，由此釋放出來的熱量一方面用來破壞煤中各種復雜分子的化學鍵，另一方面則用來使氣化反應能維持在某一特定的溫度下進行。顯然，氣化產物中主要的可燃氣體成分是CO與H2

2.典型煤氣化技術現(xiàn)在已經應用的氣化爐型有三類，即固定床氣化爐、流化床氣化爐和氣流床氣化爐。

2.1固定床氣化爐煤與氣化劑（氧、蒸汽）逆流流動，塊狀煤從爐頂加入在逐步下移過程中與熱的煤氣氣化劑換熱，發(fā)生干燥、干餾、氣化、燃燒和灰渣冷卻，氣化劑（氧、蒸汽）則在上升過程中換熱，反應轉化為煤氣固定床（慢移動床）常見有間歇式氣化（UGI）和連續(xù)式氣化（魯奇Lurgi）兩種間歇式氣化用于生產合成氣時一定要采用白煤（無煙煤）或焦碳為原料，以降低合成氣中CH4

含量，國內有數千臺這類氣化爐，弊端頗多魯奇爐國內有22臺爐子，多用于生產城市煤氣。該技術所含煤氣初步凈化系統(tǒng)極為復雜,不是公認的首選技術1—煤的入口；2—煤的閉鎖室；3—在冷卻水套中發(fā)生的蒸汽的出口；4—配煤器的驅動裝置；5—配煤器；6—煤氣出口；7—洗滌冷卻器；8—清洗后的煤氣出口；9—破煤葉片；10—旋轉爐排；11—旋轉爐排的驅動裝置；12—冷卻水套；13—氣化劑入口；14—灰的閉鎖室；15—排灰口固定床單段氣化爐2.2流化床氣化爐德國科學家溫克勒發(fā)明了流化床氣化爐（1926年）流化床氣化爐的特點是使用8—10mm以下的小煤粒，它們在流速較高的氣化劑的帶動下可以懸浮起來，使整個煤層的體積發(fā)生膨脹。在物料的相互運動中，爐床的溫度趨于均勻一致（變動范圍小于38℃），傳熱和傳質的速度很強烈。細小的煤粒很快就會發(fā)生氣化反應。根據煤種的不同，煤層的溫度一般控制在815—1038℃之間屬于這類爐型的氣化爐有KRW爐、U—Gas爐和高溫的溫克勒爐等。

1—游離層；2—旋風除塵器；3—旋轉閥；4—灰分離；5—噴射燃燒；6—氣化層KRW氣化爐常規(guī)流化床的缺點為防止爐內結渣，保持正常的流態(tài)化，操作溫度較低（850℃-—950℃），因而僅適合褐煤和高活性煙煤；床內的強烈混合和細粉的氣流夾帶，使灰渣和飛灰未轉化炭量較高（達煤量的～10％），降低了煤氣和過程利用效率，必須另設鍋爐燃燒。2.3

氣流床氣化爐氣流床氣化爐使用更細的粒度（<l00mm粒子）和更高的溫度（1350～l500℃），從而成倍地加快了反應速度，達到了極高的炭轉化率（98％～99％）和氣化爐單臺處理能力（500～2500噸煤/日）。反應物（煤粉、氧/空氣和水蒸氣）以很高的速度通過一個或多個燃燒器噴入氣化爐。氣流床氣化爐依進料方式有兩種不同的類型：水煤漿進料和干粉煤進料，結構上也分為耐火磚熱壁爐和水冷壁爐兩種

2.3.1

水煤漿加壓爐氣化爐水煤漿加壓氣化爐是已工業(yè)大規(guī)模應用最多的氣流床氣化爐，以Texaco爐商業(yè)化業(yè)績最多。Texaco氣化爐有兩種設計型式，即：直接激冷方式的氣化爐和裝有煤氣冷卻器的氣化爐。這兩個方案中氣化爐結構則是完全相同的，氣化部分是一個用耐火磚砌成的高溫空間，水煤漿和純度為95%的氧氣從安裝在爐頂的一個特制的燃燒噴嘴中向下噴入其間，形成一個非催化的、連續(xù)的、噴流式的部分氧化過程。反應溫度一般在1500℃以下。直接激冷式的Texaco氣化爐1—濕式磨煤機；2—水煤漿貯箱；3—水煤漿泵；4—氣化爐；5—激冷室；6—鎖氣式排渣斗；7—爐渣儲槽；8—爐渣分離器；9—沉降分離器；10—質點洗滌器裝有煤氣冷卻器的Texaco氣化爐

1—濕式磨煤機；2—水煤漿貯箱；3—水煤漿泵；4—氣化爐；5—輻射冷卻器；6—鎖氣式排渣斗；7—爐渣儲槽；8—爐渣分離器；9—沉降分離器；10—對流冷卻器；11—質點洗滌器Texaco氣化爐的主要優(yōu)點

具有較長時間的實際運行經驗，操作危險性小，可用率達到80％一85％，對于發(fā)電設備至關重要；利用水煤漿便于高壓泵送的特點，可以制備壓力很高的粗煤氣，便于與化工產品的后續(xù)生產過程相銜接，因而，Texaco氣化爐對于化工廠更具有吸引力；能充分利用廠區(qū)周圍的一切污水源來制作水煤漿，有利于解決污水的處理問題，且使氣化爐的運行費用較低；由于粗煤氣是由上而下地順著灰渣的重力方向流動，并在爐底水槽的上方改變方向而排出氣化爐的，這將有利于減少隨粗煤氣帶出氣化爐的飛灰量，使后續(xù)的除灰系統(tǒng)得以簡化。

Texaco氣化爐的主要缺點碳的轉化率難于做得很高，一般只有96％一98％，這會影響氣化效率的提高；冷煤氣效率比較低，一般只有0.70—0.76，因而熱煤氣顯熱的回收任務比較重；氣化所需的耗氧量較多；濕煤氣中的水蒸氣含量較多，熱煤氣效率的提高要靠較復雜的顯熱回收設備，致使IGCC的供電效率要比干法供煤者略低一些；爐膛耐火磚的壽命短、價格高、更換時間長；水煤漿泵和噴嘴易于磨損，平均2—3個月要更換一次噴嘴。該氣化爐的最長連續(xù)運行時間大約為90天。

2.3.2干粉進料氣化爐干粉煤進料加壓氣化爐以Shell爐和PRENFLO爐為代表干粉進料克服了煤漿進料的水蒸發(fā)升溫的熱損失，僅此一項氣化效率提高近10％，同時水冷壁技術的采用不僅延長了爐壁壽命，也使反應溫度進一步提高，炭轉化率和煤種適應性進一步提高。Shell煤氣化工藝流程簡圖干法供煤粉方案優(yōu)點煤種的適應性廣；冷煤氣效率和熱煤氣效率以及碳的轉化率都很高，有利于提高IGCC的供電效率；適宜于開發(fā)單爐容量大的氣化爐，比較適應于發(fā)電設備的特點；燃燒器和爐膛的使用壽命較長，維修也較容易（一般來說，燃燒器可使用1年）。干法供煤粉方案缺點至今運行時間有限，尚未取得長期運行的經驗；運行的安全性要比水煤漿氣化爐者略差些，干煤粉與氧氣配合不當時，容易引起爆炸，為此需要設置很靈敏的調節(jié)控制系統(tǒng)和保安系統(tǒng)；需要耗費較多的運行能量，例如煤粉干燥耗能和氣化爐出口處冷煤氣回滲耗能等。二、化工產品生產工藝用魯奇低壓法生產甲醇。主要反應方程式工藝流程如下：1.甲醇主要反應方程式工藝流程如下：2.醋酸纖維素主要反應方程式和工藝流程如下：3.甲酸主要反應方程式偶合反應水解反應4.草酸三、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電與供熱系統(tǒng)從熱力學第二定律可知，為提高熱機循環(huán)效率，必須提高高溫熱源的溫度T1和降低低溫熱源溫度T2，即1.燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)利用燃氣循環(huán)溫度較高的排氣,通過余熱鍋爐使產生的蒸汽在蒸汽動力循環(huán)中作功。早期燃氣初溫較低（<900℃）,聯(lián)合循環(huán)效率<40%。當今燃氣初溫提高至1300℃,聯(lián)合循環(huán)效率可大于50%。1一壓縮機；2一燃燒室；3一燃氣透平；4一蒸汽發(fā)生器（余熱鍋爐）；5一蒸汽透平；6一冷凝器；7一給水泵補給水；8一加熱器；9一發(fā)電機燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)優(yōu)點熱效率高投資低用水少環(huán)境污染小啟動性能好1.1燃氣輪機燃氣輪機一般由壓氣機、燃燒室和燃氣透平等組成。燃氣輪機的工作過程壓氣機(即壓縮機)連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮；壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣，隨即流入燃氣透平中膨脹作功，推動透平葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉；加熱后的高溫燃氣的作功能力顯著提高，因而燃氣透平在帶動壓氣機的同時，尚有余功作為燃氣輪機的輸出機械功。燃氣初溫和壓氣機的壓縮比，是影響燃氣輪機效率的兩個主要因素。

美國工業(yè)燃氣輪機總體上處十世界領先地位，實施了多項大的發(fā)展計劃，在已開發(fā)出的FA系列產品的基礎上，正在開發(fā)H型。歐洲在發(fā)電用大型燃氣輪機方面毫不遜色，德國、瑞士和瑞典都有自己研制的高性能燃氣輪機。日本、英國、意大利、法國等國也生產當今性能最好的FA型燃氣輪機，但多沿用外國的技術。當今國外著名的燃氣輪機高新技術當數GE公司的9FA系列、ABB公司的GT26系列、Siemens公司的V94.3A系列。目前已開發(fā)出的“FA","3A"型技術的新產品，代表了當今工業(yè)燃氣輪機的最高水平MS9001FA型燃機1.2余熱鍋爐利用燃氣輪機排氣的熱量來產汽的設備，稱為“熱回收蒸汽發(fā)生器”，表明回收了排氣的熱量，用英文字母HRSG(HeatRecoverySteamGenerator)來表示。我國習慣上稱為“余熱鍋爐”，并把燃氣輪機的排氣簡稱為“煙氣”?！坝酂徨仩t”通常是沒有燃燒器的，如果需要高壓高溫的蒸汽，可以在“余熱鍋爐”內裝一個附加燃燒器。通過燃料的燃燒使整個煙氣溫度升高，能夠產生高參數的蒸汽。因此有“無補燃的余熱鍋爐”和“有補燃的余熱鍋爐”之分。從蒸發(fā)器中汽水工質的循環(huán)方式考慮，有自然循環(huán)余熱鍋爐和強制循環(huán)余熱鍋爐之分

自然循環(huán)余熱鍋爐特點：省去循環(huán)泵，使運行和維修簡單；各受熱面是沿水平方向布置，占地面積大；排煙處所需煙囪的高度要高。

強制循環(huán)余熱鍋爐特點：各受熱面組件的管子是水平的；受熱面之間是沿高度方向布置，可節(jié)省地面的面積；出口處的煙囪高度縮短；運行中需要循環(huán)泵，使運行復雜，增加維修費用。目前油田進口的余熱鍋爐，多數采用此種型式。2.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IntegratedGasificationCombinedCycle，簡稱IGCC）是一種高效、低污染的先進能源系統(tǒng)。IGCC發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點高效率，且具有提高效率的最大潛力。IGCC的高效率主要來自聯(lián)合循環(huán)，燃氣輪機技術的不斷發(fā)展又使它具有了提高效率的最大潛力?，F(xiàn)在，燃用天然氣或油的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)凈效率已達到58％，本世紀初可望超過60％。隨著燃氣初溫的進一步提高，IGCC的凈效率能達到50％或更高。煤潔凈轉化與非直接燃煤技術使它有極好的環(huán)保性能。先將煤轉化為煤氣，凈化后燃燒，克服了由于煤的直接燃燒造成的環(huán)境污染問題，其NOx和SO2的排放遠低于環(huán)境污染排放標準，脫硫率≥98％，除氮率可達90％。廢物處理量少，副產品還可銷售利用，能更好地適應本世紀火電發(fā)展的需要。耗水量少比常規(guī)汽輪機電站少30～50％，這使它更有利于在水資源緊缺的地區(qū)發(fā)揮優(yōu)勢，也適于礦區(qū)建設坑口電站。易大型化單機功率可達到300～600MW以上。能夠利用多種先進技術使之不斷完善IGCC是一個由多種技術集成的系統(tǒng)，煤的氣化、凈化技術、燃氣輪機技術以及汽輪機技術等的發(fā)展都為它的發(fā)展提供了強有力的支撐。能充分綜合利用煤炭資源適用煤種廣，能和煤化工結合成多聯(lián)產系統(tǒng)，能同時生產電、熱、燃料氣和化工產品。IGCC電站的發(fā)展1972年，德國Lünen170MW，Lurgi氣化、正壓鍋爐型；1984年，美國CoolWater100MW，Texaco氣化，余熱鍋爐型；1987年，美國LGTI160MW，E－Gas氣化，熱電聯(lián)產；1994年，荷蘭Buggenum253MW，Shell氣化，凈效率43％；1995年，美國WabashRiver265MW，E-Gas氣化，凈效率41％,老廠改造；1996年，美國Tampa260MW，Texaco氣化,凈效率39％；1997年，西班牙Puertollano300MW，Prenflo氣化，凈效率45%；1997年，美國PinonPine100MW，KRW氣化，高溫凈化，未正常運行；1999年立項，中國煙臺IGCC示范電站300～400MW；1998年，意大利ISAB500MW，Texaxo氣化，煉廠底料，發(fā)電聯(lián)產制氫；1999年，意大利API能源項目280MW，Texaxo氣化，煉廠底料，發(fā)電聯(lián)產制氫；2000年，意大利Sarlux550MW，Texaxo氣化，煉廠底料，發(fā)電聯(lián)產制氫；2001年，日本GSK500MW，Texaxo氣化，煉廠底料，發(fā)電聯(lián)產制氫；2006年，意大利Sardinia620MW，Shell氣化，Siemens燃機2007年，捷克的Vresova400MWeIGCC，HTW氣化工藝，GE燃機；2007年，日本的CCP250MWIGCC，MHI空氣氣化，三菱燃機M701DA；2009年，中國華能GreenGen第一階段示范工程250MW級IGCC;先進的干粉氣化技術，CO2分離、制氫和燃料電池試驗系統(tǒng)；2010年，美國南方電力公司Orlando285MW,Transport氣化，GE燃機，包括CO2分離、制氫和燃料電池試驗系統(tǒng)；2010年，美國AEP600MW等級的IGCC電站；2013年，美國FutureGen275MW,CO2分離、制氫和氫能發(fā)電的近零排放；2015年，中國華能GreenGen第二階段示范工程300～400MW級IGCC，先進的干粉氣化技術，100MW級CO2分離、制氫、氫能發(fā)電示范系統(tǒng)；IGCC技術基礎大型煤氣化技術大型空分技術煤氣凈化技術燃氣輪機技術系統(tǒng)集成與控制技術大型煤氣化技術大型空分技術現(xiàn)有IGCC電廠采用深冷空分，能耗和成本都很大，能量消耗占電廠毛功率的10％～15％。50000Nm3/h的常規(guī)深冷空分可國產化國際上正在開發(fā)先進的膜分離技術，以實現(xiàn)氧氣的低成本、高效率和大規(guī)模生產。于2006年開始進行中試，采用膜分離制氧技術有望將全廠投資成本減少$75～$100/kW，效率比常規(guī)的IGCC電廠提高1～2個百分點。煤氣凈化技術燃氣輪機技術系統(tǒng)集成與控制技術兩種過程協(xié)調一致化工過程：穩(wěn)態(tài)、滿負荷發(fā)電過程：瞬態(tài)、變負荷結語三聯(lián)供生產城市煤氣、合成氣、燃氣發(fā)電都用一個氣源，可減少氣化爐的數量。煤氣與甲醇聯(lián)產后可利用甲醇的生產彈性來適應冬季煤氣高峰。熱能利用合理先進的煤氣化和高溫凈化技術及1300度以上初