工程热物理前沿课程论文.doc

研究生“工程热物理前沿”论文 重庆大学动力工程学院二O一四年一月摘 要我国是世界上能源结构以煤为主的国家之一，也是世界上最大的煤炭消费国。随着经济的发展，能源问题成为社会与经济发展的一个长期制约因素。关系全局的主要能源问题有：能源需求增长迅速，供需矛盾尖锐；能源结构不合理，优质能源短缺；效率低下，浪费惊人；环境影响更加严重。面对时代的召唤，工程热物理等相关学科将承担起我国国民经济发展的能源与环境的重大需求，努力推进节能和科学用能已成为学科的指导思想和核心，而抓紧化石燃料的洁净技术、大力开发可再生能源和新能源技术则是工程热物理学科的发展战略重点。本文主要介绍了工程热物理学科在核能发电技术、太阳能发电技术、生物质气化技术、燃料电池技术等新能源领域，及循环流化床洁净高效燃烧技术方面取得的成绩及未来发展方向。关键词：工程热物理，核能发电，太阳能发电，生物质气化技术，燃料电池，循环流化床ABSTRACTChina is not only one of the countries whose energy structure is coal-based, but also one of the worlds largest coal consumers. With the development of economy, the energy issue is the social and economic development of a long-term relationship factors, the main energy problem has global demand is growing rapidly, energy sharp contradiction between supply and demand, The energy structure unreasonable, high-quality energy shortage, Low efficiency and waste astonishing, The environmental impact is more serious. Facing the call of The Times, engineering thermal physical related subject will assume the development of our national economy energy and environment of the great demand to promote energy conservation and science use has become disciplines guiding ideology and the core, to grasp fossil fuel clean technology, vigorously develop renewable energy and new energy technology is engineering thermal physical development of the discipline of strategic emphasis. This article mainly introduced the engineering thermal physical sciences in solar power generation technology, nuclear power technology, biomass gasification technology, fuel cell technology and other new energy field, and circulating fluidized bed clean efficient combustion technologys achievements and future development direction.Keywords：Engineering thermal physical, nuclear power, solar energy, biomass gasification, fuel cells, fluidized bed一、我国能源现状我国是世界上的能源消费大国，也是世界能源市场的重要参与者，占世界一次能源需求总量的10%以上，在未来的一段时期内，我国经济的强劲增长将继续拉动我国能源需求的快速增长和进口。煤是我国能源的主力，虽然煤在总能源中所占的比例会逐渐下降（从75%下降到60%），但总量仍会不断增加。特别是在电力行业，煤用于发电的比例会越来越大，从目前的50%增加到70%以上。我国石油短缺，车用液体燃料还是得从煤基替代燃料上找出路。我国2005 年进口原油及其成品油约1.3 亿吨，估计2010 年将进口石油2.5 亿吨，对外依存度将超过50%，这会引起一系列的能源安全问题。关系全局的主要能源问题有：能源需求增长迅速，供需矛盾尖锐；能源结构不合理，优质能源短缺；效率低下，浪费惊人；环境影响更加严重，减排治污、保护生态刻不容缓；能源安全问题突出，全球战略势在必行等。综上所述，我国面临能源和环境双重巨大压力，是经济和社会发展的长期瓶颈，是始终必须高度重视的重大问题。能源发展、保护环境、节能减排对我国至关重要，是确保清洁、经济、充足、安全能源供应的根本出路。大量研究和历史经验表明，解决能源与环境问题的根本途径是依靠科学技术进步，因此工程热物理等相关学科将承担起我国国民经济发展的能源与环境的重大需求，努力推进节能和科学用能已成为学科的指导思想和核心，而抓紧化石燃料的洁净技术、大力开发可再生能源和新能源技术则是工程热物理学科的发展战略重点。面对时代的召唤，工程热物理等相关学科将承担起我国国民经济发展的能源与环境的重大需求，努力推进节能和科学用能已成为学科的指导思想和核心，而抓紧化石燃料的洁净技术、大力开发可再生能源和新能源技术则是工程热物理学科的发展战略重点。二、工程热物理的发展方向及重要研究成果2.1 核能发电核能在运行过程中基本没有排放（核废料除外），能提供清洁的电能。核能发电是利用核反应堆中核裂变所释放的热能进行发电的方式。核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料(核燃料)进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应指铀235、钚239、铀233等重元素在中子作用下分裂为两个，同时放出中子和大量能量的过程。反应中，可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。核电堆型种类很多，但技术比较成熟且投入商业营运的，主要有以下几种堆型：压水堆、沸水堆、重水堆、气冷堆、压力管式石墨沸水堆、快中子增殖堆。在目前，核电站中以压水堆、沸水堆所占的比例最大。核电站的核心设备是核反应堆，核反应堆中最重要的部分是堆芯，由核燃料组件和控制棒组件组成，堆芯堆载在压力容器中。核燃料组件是由圆柱状的二氧化铀芯块做成的燃料棒，然后按照一定顺序组装起来。控制棒组件控制核反应堆的开、停以及功率的变化，控制棒内的材料能强烈吸收中子，可以控制反应堆内链式裂变反应的进行，通过调节控制棒的高度来控制反应速度。安全壳是核电站必不可缺的建筑，核聚变反应所用的原料具有很强的放射性，所以需要安全壳来进行保护，安全壳是由钢筋混凝土制成，有很大的强度，能承受各种冲击，并确保核反应堆内的放射性物质不逸入环境。虽然目前核电站都是采用的核裂变反应堆，但是许多国家包括我国都投入大量的人力物力在积极探索研制核聚变反应堆，核聚变是两个较轻的原子结合形成一个较重的原子，在这个过程中将会产生比核裂变更多的能量，这种能量是一种更加安全、清洁、经济的能源，且有可能实现能量直接转换，具有极高的热效率。相比于裂变所需的铀、钚等重元素原料，核聚变却可以利用氘、氚等储存量更大，分布更广泛的轻元素，在放射性方面也降低了很多。核电不会像化石燃料会释放大量的污染物质到大气中，不会造成环境污染，核能发电不会加剧地球温室效应，目前核能发电所用的铀原料能量密度大。所以发出同样的电量，核燃料所占的体积小，便于运输和储存，另外，核燃料所占的费用比例比较少，不会像石油等其它能源价格一直浮动较大，核能发电的成本相比较稳定。随着核电技术越来越成熟，核电将凭借其突出的优点逐步提升它在总发电量中的比例，进而会在未来的能源产业中占据主要地位，我们有理由相信核电的发展前景是光明的。2.2 太阳能发电太阳能光伏利用是一个有十分广阔前景的方向，可惜的是近年来PV 的研究虽然取得了很大成绩，但相对常规发电，单位容量价格仍高几十倍，要真正变成有份额的发电还有很长的道路要走。我国在PV 材料与工艺方面和国外先进技术相比还有不小的差距，在这方面开展深入的材料制备、先进工艺和提高转化效率方面的基础和基础性研究是十分必要的，国家也应加大投入力度。太阳能的光-电转换包括太阳能光伏电池发电和太阳能热动力发电以及太阳能热化学发电等。太阳能光伏发电是利用了部分半导体材料在光照下产生光伏效应的直接光电转换。太阳能电池是利用半导体p-n结的光生电动势效应，将太阳能直接转换成电能的器件。光生电动势效应是光照射半导体时，激发自由电子和空穴分别向左右漂移，聚集在两端电极上而产生电动式，接上负荷就可以产生电流。整个独立供电的光伏发电系统主要由太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器组成。太阳能电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。根据负载的需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载使用需要时，太阳能电池通过充电器对蓄电池充电;当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制组成。逆变器的作用是将直流电转换为与交流负载同相的交流电。目前应用比较成熟的是硅系列太阳能电池。硅系列太阳能电池中，单晶硅电池的效率最高，技术也最成熟，但单晶硅材料居高不下，而且电池工艺比较繁琐，因此大幅度降低单晶硅电池的价格十分困难。单晶硅的代替电池是薄膜太阳能电池，包括多晶硅、非晶硅以及CaAs等化合物薄膜电池。有机半导体太阳能电池始于1980年初，具有成本低，重量轻，光谱响应宽，便于大面积工业化生产以及可进行分子水平设计等优点。20多年研究已经取得了很大的进步，目前此类太阳能电池的最高光电转换效率可达到3.5% 。热动力发电是利用集热装置收集太阳辐射能并用来加热工质，并用于加工工质，然后高温高压的工质推动热力机械如蒸汽轮机做功，从而带动发电机发电。太阳能热动力发电系统包括集热系统、热量传输系统、蓄热和热交换系统及发电系统。世界上现有的太阳能热力发电系统可以分为槽式线聚焦系统、塔式系统和蝶式系统三类。欧美等发达国家都有太阳能热动力发电系统的研究计划，并积极推动该技术的商业化应用。据预测，到2020年前后太阳能热动力发电系统将在发达国家实现商业化。我国有关高校和中科院曾对太阳能热动力发电系统进行一些相关的基础研究，但总体上来说，到目前为止，我国太阳能热动力发电系统的研究有待取得更多应用实例和工业化装置。2.3 生物质气化技术生物质气化是一个将生物质固体燃料转化为生物质燃料气的热化学转化过程，同时也是生物质在高温下与气化剂发生化学反应的过程，气化得到的气体产物包含的可燃气体主要是氢气和一氧化碳，副产品有液体、焦油和灰渣。通常，气化剂包括空气、氧气和水蒸汽(或水蒸汽与氧气、空气的混合物)。在生物质气化中，使用的氧气含量通常是理论上完全燃烧所需要量的20%-40%，也就是说，气化的化学过程是在缺氧条件(还原气氛)条件下进行的。同时，整个气化系统是自供热的，从它自身内部的化学反应过程就可以产生完全气化所需的热量。生物质气化过程中常用的催化剂有三类：白云石、碱金属和镍。在生物质气化过程中，白云石是除去碳氢化合物(烃类)较为合适的催化剂。如果生物质原料的给料量与氧化剂的比率适当，加入该催化剂后，焦油可以全部除去。白云石失去催化活性是由于碳粒的沉积和磨损所导致，但是白云石价格便宜，且易于更换。如果白云石被烧结后且将其加入到运行温度为800的流化床气化器的下游，此时它的催化活性最强。白云石的催化活性与它的孔隙的尺寸和分布有直接关系，同时如果其中含有大量的氧化铁时，其活性就更高;碱金属加入生物质原料中的方法有湿浸渍法和干混合法。在生物质的气化过程中加入碱金属催化剂后，可以大大减少焦油和甲烷的含量，同时可以提高气化效率。如果碱金属催化剂失去活性时，恢复催化活性比较困难而且费用较高。生物质气化器出口的燃料气中含有炭颗粒、灰颗粒、焦油、碱金属和其它杂质，所以被称为粗燃料气，燃料气的污染程度与具体的气化过程和使用的原料有关。这些杂质可能引起下游设备的堵塞、磨损、腐蚀和传热效果差等问题，所以为了满足气化发电系统中燃烧设备对燃料气的要求，在燃料气进入燃烧设备之前，必须除去这些杂质。燃料气的净化系统一般分为两种：一种是冷却气体净化系统，另一种是热气体净化系统。冷却气体净化系统是通过热交换器(冷却器)或喷淋装置降低燃料气的温度，这样可以除去一部分杂质(如碱金属)，然后在较低的温度下进行气体净化。其优点是设备技术简单，系统的投资成本较低。但缺点是降低气化发电系统的效率和存在污水处理的问题。热气体净化系统是在较高的温度下对燃料气净化，技术难度较大，但是可以提高气化发电系统的效率和没有污水处理的问题。从以上生物质气化的技术介绍中可以看到，生物质气化的技术关键在与选取合适的催化剂及气化温度，更总重要的是生物质气化后的净化问题。相信通过以后的研究，这方面将会取得更大的突破。 2.4 燃料电池技术燃料电池是将燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置，近年来成为国内外研究热点之一。随着研究的深入，燃料电池的种类也日趋广泛，发展出碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池等多种类型。与这些使用气体或液体燃料的燃料电池相比，直接碳燃料电池以固体碳作为燃料，而固体碳燃料有望通过对储量丰富的煤炭进行简单加工处理而得到。直接燃料电池具有其自身的优点：可以直接、高效地实现碳到二氧化碳的转换，有利于二氧化碳的富集与减排固体燃料不易发生泄漏、爆炸，降低了对电池密封，特别是高温密封的要求；同时热值高、体积小，运输与储藏方便。尽管直接碳燃料电池优点显著，但与其它燃料电池发展相比，仍处于起步阶段，距商业化应用还有很大差距。目前直接燃料电池技术的研究主要集中在两个方面：一是碳燃料的处理；二是电池本体与结构的设计研究。研究工作主要集中在美国、日本等发达国家。从技术发展角度看，直接燃料电池目前仍有很长的路要走：（1）定位问题。直接燃料电池属于高温燃料电池，有望用于大规模发电设备、中小型分布式发电系统甚至燃料电池汽车等设备用电装置。而最为合适的应用领域则与直接燃料电池技术的发展程度有关，应慎重选取，随着技术的发展，相关结论会日趋明显。（2）燃料问题。由于现有多种类型的直接燃料电池对碳的纯度要求非常严格，碳制备工艺成为限制直接燃料电池技术发展的重要因素。研究新型碳转化技术，同时提高电池对燃料的适应能力是未来直接燃料电池研究的重点方向之一。（3）给料问题。直接燃料电池使用固体燃料，体积相对较小，运输、储存较为方便，但电池中的燃料供给将面临如何连续、平稳给料的难题，有待进一步探索。（4）材料问题。研究、开发高性能电解质、电极材料，以提高直接燃料电池的工作性能，延长电池寿命。（5）二氧化碳减排问题。结合直接燃料电池特色，发展相应二氧化碳减排技术，减少温室气体二氧化碳.的排放。直接燃料电池技术有其自身优势，通过积极发展，有望攻克相关技术难题，使其成为.!世纪重要的燃料电池发电技术之一。2.5 循环流化床技术循环流化床锅炉其内部燃烧是一种利用流化态燃烧的技术，使高速运行的烟气与其所携带的湍流扰动极强的固体颗粒密切接触，并具有大量颗粒返混的燃烧反应过程。同时，在炉外利用旋风分离器将绝大部分高温的固体颗粒捕集，将这部分颗粒送回炉内再次参与燃烧过程，如此反复循环地组织燃烧。所谓流态化指使细颗粒通过与气体或液体的接触面而转变成类似流体的一种运行情况；当颗粒处于流态化状态时，作用在固体颗粒上的重力与气流的拽力相互平衡，此时颗粒处于一种拟悬浮状态，从而使流化床具有类似于液体的性质；固体床本身会变得像流体一样这时固体床料已经被流态化了。如果把气流流速进一步加大，气体会在已经流化的床料中形成气泡，从已流化的固体颗粒中上升，到流化的固体颗粒的界面时，气泡会穿过界面而破裂，就像水在沸腾时汽泡穿过水面而破裂一样。因此这样的流化床又称为“沸腾床”、“鼓泡床”。继续加大气流流速，当超过终端速度，颗粒就会被气流带走，但如将被带走的颗粒通过分离器加以捕集并使之重新返回床中，就能连续不断地操作，成为循环流化床。燃用不同煤种的循环流化床锅炉在设计及运行方面都有不同程度的差异；燃烧效率还和循环倍率、床温、过量空气系数、流化风风速等因素有关：循环倍率越高，燃烧效率也越高，脱硫效率也越高，但是当循环倍率超过3以后，燃烧效率的提高并不明显；床温对燃烧效率的影响较大，随着床温的升高，燃烧效率明显增加，床温的影响主要在于改变了脱硫剂的反应速度、固体产物分布及孔隙堵塞特性，从而影响脱硫效率和脱硫剂的利用率，从燃烧效率、CO排放、NOx排放等因素综合考虑，往往选择850900之间的床温；过量空气系数对燃烧效率的影响不如床温大；传热系数随着床层颗粒浓度的增加而增大，床层颗粒浓度是影响床层与床壁面间传热系数最重要的因素，床温大于400后，床温上升，床层与床壁面间