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、 热能转换与利用中的节能技术集 美 大 学2005年4月11.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 2. 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31.1 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。41.2 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学第一定律是能量守恒与转换定

2、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。51.3 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）。61.4 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 +Q3 +Q4 +Q5 +Q6 (

3、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 ;71.4. 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）82.热能转换与利用中的节能技术2.1 工业锅炉提高热效率的有效途径2.2 余热利用2

4、.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92.1 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。10.1.2 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

5、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。112.1.3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效率。 12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:

6、 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 )13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000mmH2O 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。14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7

7、0E(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1:515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）16例： 陕北天

8、然气成分 （）CH4 C2H6 C3H8 C4H10 H2S N2 95.9494 0.9075 0.1367 2.0062 0.0002 1.017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182.2 余热利用2.2.1 余热资源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192.2.1

9、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）202.2.2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212.2.3 热管技术1热管2. 热管换热系数22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：（

10、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232.2.4 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。242.2.蓄冷技术意义冰蓄冷水蓄冷252.2. 载热体加

11、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262.3 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）272.4 燃气蒸汽联合循环燃气蒸汽联合

12、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统。它由两大部分组 成，即煤的气化与净化部分和燃气-蒸汽联合循环发电部分。 282.5 分布式能源利用系统1、概述2、特点3、分布式区域冷热电联供系统

13、29分布式能源利用系统概述当前，全世界都在推动第二代能源系统的建设。第二代能源系统具有6个方面的主要特征：一是燃料的多元化；二是设备的小型化、微型化；三是冷热电联产化；四是网络化；五是智能控制和信息化管理；六是高标准的环保水平。分布式能源系统(Distributed Energy System，简称DES)是相对于传统的集中式能量系统(Concentrated Energy System,简称CES)而言的。在这个系统中,集合了分布式供电、制冷、采暖、生活卫生水以及其他形式的热能于一体,将发电系统以小规模、分散式布置在用户附近,可独立地输出电、热和冷能的系统,此系统中的主要部分就是分布式供电和

14、冷热电联产系统（ Cooling-heating-power Cogeneration，简称CCHP）。同时,应用最新的信息化和智能化技术管理和控制系统,以实现系统化、智能化、经济最优的目的。30 “高参数、大机组、大电网”集中式供电将仍然长期是我国电力发展的主要方向，小微型分布式电源是集中式电源系统的重要补充。它增加了电网的质量和可靠性。 小型或微型燃气轮机CCHP分布式电源总能效高；总投资（含输变电设备等）与大型集中式电源相当或略低；燃机性能好，运行可靠，大修期长；具有很好的经济性。 31天然气是比轻柴油还要洁净、低炭的优质燃料，且可比价格与轻柴油相当，通过综合梯级利用可获得更高经济效益。

15、小型或微小型燃气轮机CCHP分布式电源系统正是天然气利用的最好模式之一。欧美国家小微型燃气轮机产品成熟，性能好；与同容量柴油机分布式电源相比，小微型燃气轮机分布式电源还具有结构紧凑、运行可靠性高、低噪音、低振动等多方面优势。它是分布式电源的首选主机。32冷热电联产(CCHP)是一种建立在能量梯级利用概念基础上,通过能量梯级利用原理,使锅炉(或其他热工设备)产生的具有高品位的热能蒸汽通过汽轮机发电,同时冬季利用燃汽轮机抽汽或排汽向用户供热,夏季利用吸收式制冷机向用户供冷以及全年提供卫生热水或其它用途的热能的一体化多联产系统 。冷热电联产系统是以下系统的集成:发电设备、热工系统、锅炉或蓄热系统、通

16、风/室内空气品质系统以及建筑控制和系统集成技术。 33发展CCHP系统的优点(1)发展CCHP系统有助于提高能源利用率 CCHP系统可大幅度提高能源利用率,其能 源综合利用率可达到80%90%。 (2)发展CCHP系统有助于环境的保护 CCHP系统CO2排放仅为传统能源系统的 30%50%。 (3)发展CCHP系统有助于缓解电力高峰负荷(4)发展CCHP系统可以提高供电安全性34分布式区域冷热电联供系统 分布式区域冷热电联供系统的功能与传统冷热电联供相同，均可向周边区域提供冷、热和电力，但由于其相对独立，因此又称为“能源岛系统”（简称“能源岛”）。在能源岛中，发电系统以小规模（数千瓦至数兆瓦）

17、，分散布置的方式建在用户附近，独立地输出电、热或冷。天然气能源岛系统的核心是热电转换装置与热冷转换装置，就我国现有的技术条件看，关键技术在于小型或微型的热电转换装置。如前所述，国际上现已投入商业化运用的能源岛。 35微型燃气轮机CCHP经济性分析 相同热功率Bowman TG80型微型燃机CHP与燃气锅炉比较 设 备项 目 Bowman TG80型微型燃机燃气锅炉前置循环 回热循环提供热功率 kW 420 150 420设备供暖面积 m2 8400 3000 8400设备利用小时 h 6500 6500 6500年供热收入 元 / 年451,526.72161,259.54451,526.72

18、燃机发电效率 % 14 26 0燃机发电量 kW 80 80 0发电系统净出力 kW 72.9 76.2 0年供电收入(电价以0. 52元 / kWh)246,402.00元/ 年257,556.00元/ 年 0天然气消耗量 m3/ h59.0 31.8 48.17年燃料费用(天然气价按 1. 4元 / m3)536,900.00元/ 年289,380.00元/ 年438,381.65千瓦运行费 元 / kW0.05 0.05 0运行维护费 元 / 年23,692.5024,765.0025,000.00收 益 元 / 年137,336.22104,670.54 - 11,854.93 (亏)

19、千瓦造价 元 / kW 6,972.00 5,162.60 /设备投资回收周期 年 4.06 3.95 -362.6 建筑节能1、我国建筑能耗现状2、我国建筑节能工作现状3、建筑节能技术37我国建筑能耗现状我国建筑能耗高首先体现在耗量大。年前我国建筑能耗总量达亿吨标准煤，占全社会总能耗的。建筑能耗高的另一个原因是能效低。整个供热系统综合效率远低于发达国家的水平。公共建筑中央空调系统的综合运行效率也较低。特别是我国建筑围护结构保温隔热性能普遍较差，与气候条件接近的发达国家相关指标对比，我国建筑外墙、屋顶、门窗传热系数和空气渗透率要高出几倍。 38我国建筑节能工作现状目前我国的建筑节能工作主要围绕

20、提高建筑物围护结构的保温隔热性能和提高供热制冷系统效率两个方面展开。 近几年又在太阳能、风能、地热、生物质能等新能源和可再生能源的利用方面开展了一些工作。 39建筑节能技术围护结构节能成套技术重点发展适用于不同气候条件的各种节能墙体、屋顶以及门窗，特别是外墙外保温技术和高效节能窗技术，包括用粘贴、钉挂、浇入和涂抹等方法固定高效保温材料的多种外墙外保温技术，以及采用中空密封玻璃、低发射率玻璃、充惰性气体玻璃以及断桥合金窗框、复合塑料窗框和活动外遮阳帘等多种节能窗技术。开发各种新型高效节能墙体材料、保温隔热材料和高性能 建筑玻璃及其应用技术。 402.7 清洁、高效新型燃料清洁燃料型二甲醚甲醇及醇

21、醚燃料 41清洁燃料型二甲醚 二甲醚简称DME (Dimethy Ether),DME在常温常压下为无色无味气体。因其良好的理化性质,可广泛地应用于化工、日化、医药和制冷等行业。近几年更因其燃烧性能好、清洁、辛烷值高、动力性能好污染少等特性,用于车用替代燃料,具有天然气、甲醇、丙烷、丁烷、柴油等不可比拟的综合优势。42甲醇及醇醚燃料 甲醇及醇醚燃原料来源丰富，有害排放物少，机动好，正在逐步进入现有的车用燃料市场。甲醇可由合成气合成，煤炭、石油、天然气、沼气、生物质等均可转化为合成气，因此，甲醇原料来源十分广泛。甲醇可由 2 2 合成，在使用时，又可利用发动机余热重整为2 2 。利用核能或太阳能

22、，二氧化碳和氢气合成为甲醇，在发动机中，甲醇先重整为二氧化碳和氢气，氢气可以作为发动机的燃料。 甲醇的抗爆震性能好，其辛烷值超过110，甲醇可以部分地代替芳烃作为汽油的辛烷值增进剂，从而降低汽油中芳烃的含量。433. 可再生能源3.1 太阳能3.2 地热能3.3 海洋能3.4 沼气44太阳能及其利用方式目前对太阳能的利用主要是通过两条途径: 光热利用和光电利用。 光热利用包括太阳能热水器和热水工程以及太阳能的吸附式制冷等。 光电利用现阶段主要是直接利用,即采用太阳能电池进行光电的直接转换。利用太阳能加热工质,驱动热力机械循环做功发电,是太阳能光电转换的第二种方式。 45地热能利用方式直接利用温

23、泉或热水井的热水供温室或供暖用建立地热电站转换成电能 （1）利用干燥的过热蒸汽和高温水发电 （2）利用中等温度（100）水通过双流体循 环发电设备发电 463.3 海洋能海洋能指依附在海水中的可再生能源，海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中。海水温差能是热能，低纬度的海面水温较高，与深层冷水存在温度差，而储存着温差热能，其能量与温差的大小和水量成正比。潮汐、潮流，海流、波浪能都是机械能。 474. 辨别节能技术中的伪科学4.1 依据: 能量守恒与转换定律; 物质不灭定律;4.2 例子:1) 纳米油或纳米油添加剂可大大提高效率 油的发热量是其分子中C和H完全燃烧放出来的，是可以精确算出的。现代燃烧器燃烬率已很高，额外热量哪里来！