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、 熱能轉(zhuǎn)換與利用中的節(jié)能技術(shù)集 美 大 學(xué)2005年4月11.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) 2. 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31.1 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

2、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）是其最重要兩個特性。51.3 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）。61.4 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 (

3、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） 對于固體燃料， q2 和 q4高； 對于液體燃料， q2 高， q很小，q60 ； 對于氣體燃料， q2 高，q40， q60 ;71.4. 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）82.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

4、.3 熱電聯(lián)產(chǎn)和集中供熱2.4 燃氣蒸汽聯(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92.1 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；污染嚴重。措施: (燃燒無煙煤鏈條鍋爐)合理布置前后拱，及時著火，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)。10.1.2 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25%。* 措施：設(shè)計時選擇合適的流化氣速，爐膛高度，保證煤顆粒在爐內(nèi)獲得充足的停留時間；保持床層和爐膛950以上的高溫，以提高飛

5、灰燃盡率; 要正確設(shè)計燃料破碎系統(tǒng),減少飛灰份額; 選擇一個高效的分離器。112.1.3油、氣鍋爐 對于油爐：由于先進的燃燒器和成熟的本體設(shè)計，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。 12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):

6、 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 )13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000mmH2O 以上，風(fēng)速達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。14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力，利用氣泡 的產(chǎn)生、運動、變形直到出口爆破來產(chǎn)非常細小的液霧。 主要特點為: （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7

7、0E(即燃油需具有流動性)； （3）燃燒完全，不冒黑煙,燃燒效率達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； （5）燃燒器不結(jié)焦、不堵塞； （6）火焰剛性強，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1:515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，氫對天然氣熱值的貢獻大于炭。 天然氣是低炭燃料。（見下表）16例： 陜北天

8、然氣成分 （）CH4 C2H6 C3H8 C4H10 H2S N2 95.9494 0.9075 0.1367 2.0062 0.0002 1.017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)計算的熱效率可能達到或超過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策182.2 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)192.2.1

9、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）202.2.2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，按凝汽式機組循 環(huán)或背壓式供熱機組循環(huán)發(fā)電（2）以高溫余熱作為燃氣輪機工質(zhì)的熱源（3）采用低沸點工質(zhì)回收中低溫余熱212.2.3 熱管技術(shù)1熱管2. 熱管換熱系數(shù)22熱管換熱器鋼水熱管的特點：很高的傳熱能力；很強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：（

10、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232.2.4 熱能的貯存系統(tǒng)對蒸汽能量進行貯存的設(shè)備稱為蓄熱器。實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)備對蒸汽的需用量往往是不均衡的，波動很大，因此供汽鍋爐負荷也會變動，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)濟效益的大小是取決于用汽負荷波動的幅度及頻繁程度。242.2.蓄冷技術(shù)意義冰蓄冷水蓄冷252.2. 載熱體加

11、熱爐優(yōu)勢: 高溫低壓，不用水處理；載熱體介質(zhì)：礦物油，鹽；運行注意點：介質(zhì)析碳，受熱面結(jié)焦（例）運行時要監(jiān)控盤管進出口壓差和溫度.此外，礦物油要過濾和補充262.3 熱電聯(lián)產(chǎn)和集中供熱目的：提高能源利用率，達到CO2減排。國家規(guī)定5萬kW以下小型火電機組要關(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氣的熱、電、氣三聯(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)）272.4 燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)燃氣蒸汽聯(lián)合

12、循環(huán)利用了燃氣側(cè)高溫吸熱和蒸汽側(cè)低溫放熱的特點,使得聯(lián)合動力裝置的總效率比常規(guī)的高參數(shù)純蒸汽動力裝置的效率(最高約為40%)高得多。由于聯(lián)合循環(huán)熱效率達55%和天然氣中含有大約25% (重量比)的氫氣這兩個因素，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)合的先進動力系統(tǒng)。它由兩大部分組 成，即煤的氣化與凈化部分和燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。 282.5 分布式能源利用系統(tǒng)1、概述2、特點3、分布式區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

13、29分布式能源利用系統(tǒng)概述當(dāng)前，全世界都在推動第二代能源系統(tǒng)的建設(shè)。第二代能源系統(tǒng)具有6個方面的主要特征：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

14、冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（ Cooling-heating-power Cogeneration，簡稱CCHP）。同時,應(yīng)用最新的信息化和智能化技術(shù)管理和控制系統(tǒng),以實現(xiàn)系統(tǒng)化、智能化、經(jīng)濟最優(yōu)的目的。30 “高參數(shù)、大機組、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)的重要補充。它增加了電網(wǎng)的質(zhì)量和可靠性。 小型或微型燃氣輪機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；燃機性能好，運行可靠，大修期長；具有很好的經(jīng)濟性。 31天然氣是比輕柴油還要潔凈、低炭的優(yōu)質(zhì)燃料，且可比價格與輕柴油相當(dāng)，通過綜合梯級利用可獲得更高經(jīng)濟效益。

15、小型或微小型燃氣輪機CCHP分布式電源系統(tǒng)正是天然氣利用的最好模式之一。歐美國家小微型燃氣輪機產(chǎn)品成熟，性能好；與同容量柴油機分布式電源相比，小微型燃氣輪機分布式電源還具有結(jié)構(gòu)緊湊、運行可靠性高、低噪音、低振動等多方面優(yōu)勢。它是分布式電源的首選主機。32冷熱電聯(lián)產(chǎn)(CCHP)是一種建立在能量梯級利用概念基礎(chǔ)上,通過能量梯級利用原理,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發(fā)電,同時冬季利用燃汽輪機抽汽或排汽向用戶供熱,夏季利用吸收式制冷機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

16、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)。 33發(fā)展CCHP系統(tǒng)的優(yōu)點(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 源綜合利用率可達到80%90%。 (2)發(fā)展CCHP系統(tǒng)有助于環(huán)境的保護 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荷(4)發(fā)展CCHP系統(tǒng)可以提高供電安全性34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，但由于其相對獨立，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）

17、，分散布置的方式建在用戶附近，獨立地輸出電、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)化運用的能源島。 35微型燃氣輪機CCHP經(jīng)濟性分析 相同熱功率Bowman TG80型微型燃機CHP與燃氣鍋爐比較 設(shè) 備項 目 Bowman TG80型微型燃機燃氣鍋爐前置循環(huán) 回?zé)嵫h(huán)提供熱功率 kW 420 150 420設(shè)備供暖面積 m2 8400 3000 8400設(shè)備利用小時 h 6500 6500 6500年供熱收入 元 / 年451,526.72161,259.54451,526.72

18、燃機發(fā)電效率 % 14 26 0燃機發(fā)電量 kW 80 80 0發(fā)電系統(tǒng)凈出力 kW 72.9 76.2 0年供電收入(電價以0. 52元 / kWh)246,402.00元/ 年257,556.00元/ 年 0天然氣消耗量 m3/ h59.0 31.8 48.17年燃料費用(天然氣價按 1. 4元 / m3)536,900.00元/ 年289,380.00元/ 年438,381.65千瓦運行費 元 / kW0.05 0.05 0運行維護費 元 / 年23,692.5024,765.0025,000.00收 益 元 / 年137,336.22104,670.54 - 11,854.93 (虧)

19、千瓦造價 元 / kW 6,972.00 5,162.60 /設(shè)備投資回收周期 年 4.06 3.95 -362.6 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)37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億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全社會總能耗的。建筑能耗高的另一個原因是能效低。整個供熱系統(tǒng)綜合效率遠低于發(fā)達國家的水平。公共建筑中央空調(diào)系統(tǒng)的綜合運行效率也較低。特別是我國建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能普遍較差，與氣候條件接近的發(fā)達國家相關(guān)指標(biāo)對比，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。 38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

20、提高建筑物圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能和提高供熱制冷系統(tǒng)效率兩個方面展開。 近幾年又在太陽能、風(fēng)能、地?zé)帷⑸镔|(zhì)能等新能源和可再生能源的利用方面開展了一些工作。 39建筑節(jié)能技術(shù)圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能成套技術(shù)重點發(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)。 402.7 清潔、高效新型燃料清潔燃料型二甲醚甲醇及醇

21、醚燃料 41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。42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，機動好，正在逐步進入現(xiàn)有的車用燃料市場。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，又可利用發(fā)動機余熱重整為2 2 。利用核能或太陽能

22、，二氧化碳和氫氣合成為甲醇，在發(fā)動機中，甲醇先重整為二氧化碳和氫氣，氫氣可以作為發(fā)動機的燃料。 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劑，從而降低汽油中芳烴的含量。433. 可再生能源3.1 太陽能3.2 地?zé)崮?.3 海洋能3.4 沼氣44太陽能及其利用方式目前對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行光電的直接轉(zhuǎn)換。利用太陽能加熱工質(zhì),驅(qū)動熱力機械循環(huán)做功發(fā)電,是太陽能光電轉(zhuǎn)換的第二種方式。 45地?zé)崮芾梅绞街苯永脺?/p>

23、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 463.3 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、波浪能都是機械能。 474. 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！