热能转换与利用中的节能技术俞建洪集美大学2005年4月.ppt
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1、热能转换与利用中的节能技术 俞建洪 集 美 大 学 2005年4月,1.基本概念和基本原理 2. 热能转换与利用中的节能技术 3. 可再生能源 4. 辨别节能技术中的伪科学 5.总结,. 基本概念和基本原理,.热能资源 .热力学第一定律和热力学第二定律 .节能的基本分析方法热平衡法 .热平衡法简介 .设备热平衡以锅炉热平衡为例,1.1 热能资源,热能是人类使用最为广泛的一种能量形式,有的能源是转换成热能后再加以利用。在一次能源中,热能资源也占了绝大部分。最主要的常规能源有化石燃料,新能源有太阳能、核能、地热能等。,1.2 热力学第一定律和热力学第二定律,自然界基本定律:能量守恒与转换定律 热力
2、学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象上的应用,它揭示了能量在量上的特性。 热力学第二定律涉及能量传递的方向和深度的问题,是能量在质上的特性。所谓能的质量是指能的品位或能的可用性。能量在其传递或转换过程中,品质是逐渐降低的,即能量贬值。 能量在数量上的守恒性和在质量上的贬值性(不可逆)是其最重要两个特性。,1.3 节能的基本分析方法 热平衡法,热平衡法是建立在热力学第一定律基础上的能量分析方法,主要考察系统热量的平衡关系,揭示能在数量上的转换和利用情况,从而确定系统的能利用率或能效率(热效率)。,1.4 设备热平衡以锅炉热平衡为例,1.4 .1固体燃料的热平衡方程式: Qr =Q1 +Q2 +
3、Q3 +Q4 +Q5 +Q6 (kJ/kg) (1-1) 热平衡方程的百分比表示式: 100% = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6 (%) (1-2) 对于固体燃料, q2 和 q4高; 对于液体燃料, q2 高, q很小,q60 ; 对于气体燃料, q2 高,q40, q60 ;,1.4. 2.锅炉热效率,(1)正平衡热效率: = q1 = Q1 / Qr 100% (1-3) (2)反平衡热效率:从式(1-2)可得 = Q1 / Qr 100% =1 -( q2 + q3 + q4 + q5 + q6 ) (1-4),2.热能转换与利用中的节能技术,2.1 工业锅炉
4、提高热效率的有效途径 2.2 余热利用 2.3 热电联产和集中供热 2.4 燃气蒸汽联合循环 2.5 分布式能源利用系统 2.6 建筑节能 2.7 清洁、高效新型燃料,2.1 工业锅炉提高热效率的有效途径,2.1.1 燃煤链条锅炉 存在问题: 因q2 和 q4高,热效率低,一般; 污染严重。 措施: (燃烧无烟煤链条锅炉) 合理布置前后拱,及时着火,提高燃烬; 合理配风,控制过量空气系数,热风; 二次风 。,.1.2 循环流化床(CFB)锅炉,* 概述 * 存在问题: 锅炉热效率比煤粉炉低,大约85%;主要原因是飞灰含碳量高,大约达25%。 * 措施: 设计时选择合适的流化气速,炉膛高度,保证
5、煤颗粒在炉内获得充足的停留时间; 保持床层和炉膛950以上的高温,以提高飞灰燃尽率; 要正确设计燃料破碎系统,减少飞灰份额; 选择一个高效的分离器。,2.1.3油、气锅炉,对于油炉:由于先进的燃烧器和成熟的本体设计,柴油燃尽率和排烟温度都可控制到理想程度,故油炉提高热效率已没有多少余地。但重油还有余地。 如果本体设计有缺陷,排烟温度过高,可根据燃烧器背压余量布置热管省煤器。 对于气炉:大量水蒸气携带着可观的汽化潜热离开锅炉。这部分热量约占天然气低位发热量的14 % 。它等于燃料高低位发热量之差。 尽可能多地通过锅炉受热面或特殊换热器把排烟中的水蒸气凝结下来,回收其热量,就能较大幅度地提高锅炉热
6、效率。,重油燃烧技术,目的:提高雾化质量,降低q4和颗粒物排放 雾化技术: 转杯雾化和气泡雾化 降低黏度: 预热或掺适量轻油 掺水燃烧: 合理掺水率可降低q4和烟气黑度 ( 见结构图 ),转杯雾化技术,6500/min 高速旋转的转杯 -离心力作用导致油膜越来越薄 高压(由高速旋转叶片升压至000mm H2O 以上,风速达100m/s)的一次风(风量的10%)把薄油膜粉碎至几十微米颗粒。,气泡雾化喷嘴技术,气泡雾化喷嘴技术是用气泡作为雾化的动力,利用气泡 的产生、运动、变形直到出口爆破来产非常细小的液雾。 主要特点为: (1)液雾颗粒粒度小(索太尔平均直径SMD40m),尺寸 分布均匀(尺寸分
7、布指数N2); (2)雾化效果基本不受燃油粘度大小的影响,粘度使用范围 宽,为70E(即燃油需具有流动性); (3)燃烧完全,不冒黑烟,燃烧效率达99.5%以上,燃烧产物 中污染物低于国家环保局规定的各项指标; (4)火焰长度、火焰锥角、火焰形状及喷油量可按用户要求 设 计; (5)燃烧器不结焦、不堵塞; (6)火焰刚性强,喷射速度高; (7)雾化效果不随流量大小影响,流量调节比大,可达1:5,天然气是优质低碳燃料 a. 天然气主要成分为CH4,氢与炭重量比大约为1:3 ; b. 氢发热量为125 .6MJ/kg,炭发热量为33 .7 MJ/kg 氢的发热量是炭发热量的3 .7倍; 结论: 在
8、CH4中,氢对天然气热值的贡献大于炭。 天然气是低炭燃料。(见下表),例: 陕北天然气成分 (),CH4 C2H6 C3H8 C4H10 H2S N2 95.9494 0.9075 0.1367 2.0062 0.0002 1.0,冷凝式锅炉,将排烟温度降到足够低,以使烟气中的水蒸气凝结下来,凝结水的汽化潜热得以回收利用,甚至按低位发热量Qnet,v为基准计算的热效率可能达到或超过100%的锅炉称为冷凝式锅炉。 根据陕北天然气的定量计算可得,每凝结10%的水,锅炉热效率可提高约1.2%。 冷凝式锅炉分为接触式和非接触式两种 冷凝式锅炉的腐蚀问题及其对策,2.2 余热利用,2.2.1 余热资源
9、2.2.2 余热利用方式 2.2.3 热管和热泵技术 2.2.4 热能的贮存系统,2.2.1 余热资源,余热资源属于二次能源。 衡量余热资源不仅要看数量,还要看质量。 按余热温度范围可分:高温余热(500);中温余热(250500);低温余热(250),2.2.2余热利用方式,直接利用 (1)预热空气或煤气 (2)预热或干燥物料 (3)生产蒸汽或热水 (3)余热制冷,作为吸收式制冷机的热源 余热发电 (1)利用余热锅炉产生蒸汽,按凝汽式机组循 环或背压式供热机组循环发电 (2)以高温余热作为燃气轮机工质的热源 (3)采用低沸点工质回收中低温余热,2.2.3 热管技术,1热管 2. 热管换热系数
10、,热管换热器,钢水热管的特点:很高的传热能力;很强的热流密度变换能力;传热效率高;工作可靠等。 余热回收中的应用举例: (1)热管开水器 (2)热管空气预热器或热管省煤器 分离式热管换热器 返回,2.2.4 热能的贮存系统,对蒸汽能量进行贮存的设备称为蓄热器。实用的蓄热器是以热水作为载热体,将热能贮存在高压饱和热水中,然后利用降压闪蒸产生蒸汽。 变压式蓄热器:工作压力0.52.0MPa;工作温度200300 针对许多工业部门(例如造纸、印染、食品、化工、橡胶等)的用汽设备对蒸汽的需用量往往是不均衡的,波动很大,因此供汽锅炉负荷也会变动,蒸汽压不稳,造成锅炉工况不稳,效率下降,则最适用与采用蓄热
11、器。 设置蓄热器后,其经济效益的大小是取决于用汽负荷波动的幅度及频繁程度。,2.2.蓄冷技术,意义 冰蓄冷 水蓄冷,2.2. 载热体加热炉,优势: 高温低压,不用水处理; 载热体介质:矿物油,盐; 运行注意点:介质析碳,受热面结焦(例) 运行时要监控盘管进出口压差和温度. 此外,矿物油要过滤和补充,2.3 热电联产和集中供热,目的:提高能源利用率,达到CO2减排。 国家规定5万kW以下小型火电机组要关闭;但热电联产可以上(只要总效率大于45%,热电比大于1)。改造或新建可选择CFB锅炉 集中供热:可选择大容量高效率的锅炉替代众多低效高污染的小型锅炉。 在热电联产的建设中,从以燃煤为主的热电厂向
12、燃气的热、电、气三联供热电厂发展;分布式热电冷联产也得到迅猛发展。 热、电、煤气三联供 (整体煤气化联合循环),2.4 燃气蒸汽联合循环,燃气蒸汽联合循环利用了燃气侧高温吸热和蒸汽侧低温放热的特点,使得联合动力装置的总效率比常规的高参数纯蒸汽动力装置的效率(最高约为40%)高得多。 由于联合循环热效率达55%和天然气中含有大约25% (重量比)的氢气这两个因素,使得天然气联合循环发电厂单位发电量所产生的温室气体CO2减小了50。 整体煤气化联合循环(IGCC-Integrated Gasification Combined Cycle)发电系统,是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系
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