热能转换与利用中的节能技术

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

１.基本概念和基本原理１.１热能资源１.２热力学第一定律和热力学第二定律１.３节能的基本分析方法—热平衡法１.４热平衡法简介１.５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８５％～９０％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+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，q４很小，q6＝0；对于气体燃料，q2高，q4≈0，q6＝0;1.4.2.锅炉热效率(1)正平衡热效率：η=q1=Q1/Qr×100%（1-3）(2)反平衡热效率：从式（1-2）可得η=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７０％；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。２.1.2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１000mmH2O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SMD≤40µm)，尺寸分布均匀(尺寸分布指数N>2)；（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70°E(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33.7MJ/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）例：陕北天然气成分（％）CH4 C2H6 C3H8 C4H10 H2S N2

95.94940.9075 0.1367 2.0062 0.00021.0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（250～500℃）；低温余热（≤250℃）2.2产.2余公热利用面方式直接利用（1）预辽热空气或糕煤气（2）键预热或头干燥物赛料（3）生选产蒸汽或绒热水（3）余萍热制冷，亦作为吸收夕式制冷机骗的热源余热发电（1）利像用余热锅碍炉产生蒸梯汽，按凝此汽式机组课循环或背压馅式供热机亭组循环发飘电（2）恐以高温篮余热作乳为燃气侦轮机工疗质的热遍源（3）采端用低沸点缠工质回收列中低温余浮热2.2茅.3热管技术1．热做管2.壮热葵管换热困系数热管换慢热器钢水热管东的特点：隐很高的传恨热能力；只很强的热丢流密度变底换能力；椒传热效率忽高；工作任可靠等。余热回收态中的应用敌举例：（1）椅热管开留水器（2）热算管空气预幸热器或热棒管省煤器分离式狼热管换糟热器返回2.2.抽4热能线的贮存系宇统对蒸汽纤能量进剩行贮存浑的设备查称为蓄呀热器。谁实用的伟蓄热器喝是以热哄水作为阀载热体我，将热爆能贮存裂在高压掌饱和热叫水中，珠然后利枕用降压续闪蒸产殊生蒸汽煌。变压式蓄铸热器：工蛙作压力0.5～劲2.0M暴Pa；工作靠温度200康～30碍0℃针对许多很工业部门剩（例如造港纸、印染界、食品、艰化工、橡个胶等）的垫用汽设备最对蒸汽的璃需用量往旁往是不均虽衡的，波灯动很大，积因此供汽诞锅炉负荷化也会变动商，蒸汽压移不稳，造彻成锅炉工董况不稳，朵效率下降屿，则最适侨用与采用年蓄热器。设置蓄臣热器后悄，其经职济效益懂的大小豪是取决文于用汽联负荷波袄动的幅左度及频谊繁程度继。2.2光.５蓄哥冷技术意义冰蓄冷水蓄冷2.2瓜.６默载热体锄加热炉优势:针高温低压缸，不用水券处理；载热体介唱质：矿物较油，盐；运行注榴意点：忽介质析怀碳，受啦热面结古焦（例剩）运行时初要监控仆盘管进边出口压集差和温娱度.已此外，创矿物油剑要过滤奇和补充贫．2.3热电联产臭和集中供肯热目的：爸提高能林源利用湾率，达纪到CO2减排。国家规晋定5万kW以下小边型火电去机组要绪关闭；光但热电亩联产可例以上（鞋只要总济效率大通于45%，热电比大于1）。改造誓或新建可撑选择CF捕B锅炉集中供热姻：可选择斜大容量高旁效率的锅错炉替代众支多低效高膊污染的小貌型锅炉。在热电阅联产的谎建设中协，从以虑燃煤为沈主的热蚕电厂向怪燃气的热、电、上气三联供热电厂发荣展；分布归式热电冷象联产也得谎到迅猛发皇展。热、电、鼠煤气三联波供（整体锻煤气化愈联合循念环）2.4能燃气—蒸覆汽联合循纲环燃气—蒸妙汽联合循乱环利用了面燃气侧高拨温吸热和隆蒸汽侧低讯温放热的断特点,使眠得联合动忠力装置的鹿总效率比僻常规的高稀参数纯蒸衰汽动力装现置的效率裕(最高约太为40%护)高得多羡。由于联合反循环热效谈率达55%和天然邪气中含浸有大约25%(重量比君)的氢气朝这两个因扶素，使得蕉天然气联其合循环发傻电厂单位得发电量所盒产生的温辈室气体C北O2减小了50％。整体煤气借化联合循招环（IG招CC-I损nteg浆rate忠dGa复sifi捧cati拿onComb悲ined卫Cyc源le）发退电系统，怪是将煤气眠化技术和嗽高效的联义合循环相铺结合的先况进动力系将统。它由祝两大部分透组成，即煤案的气化与领净化部分笔和燃气-波蒸汽联合堂循环发电狱部分。2.5泄分布叠式能源斯利用系锦统1、概述2、特点3、分布序式区域冷嗓热电联供煮系统分布式能被源利用系请统概述当前，全吴世界都在墨推动第二慢代能源系债统的建设旁。第二代尚能源系统祸具有6个述方面的主忠要特征：先一是燃料府的多元化君；二是设川备的小型左化、微型旷化；三是歇冷热电联规产化；四邻是网络化彩；五是智歌能控制和杨信息化管声理；六是程高标准的浊环保水平余。分布式泪能源系脱统(D悬ist臂rib会ute蹄dE驻ner赌gy械Sys蚀tem理，简称粱DES螺)是相颗对于传螺统的集寄中式能亩量系统蔽(Co改nce衣ntr蔬ate略dE摇ner园gy抽Sys截tem油,简称嚼CES裕)而言擦的。在恰这个系衬统中,绞集合了衡分布式漂供电、久制冷、栏采暖、膛生活卫师生水以洲及其他酿形式的狡热能于焰一体,告将发电耳系统以扬小规模牢、分散絮式布置膨在用户粮附近,文可独立汇地输出屡电、热劳和冷能育的系统副,此系鉴统中的研主要部展分就是告分布式盏供电和帮冷热电黎联产系累统（Cool秀ing-沸heat卧ing-萍powe刃rCo态gene许rati写on，简看称CCH购P）。同倒时,应用话最新的信碌息化和智浴能化技术傲管理和控乱制系统,靠以实现系甘统化、智洋能化、经垄济最优的率目的。“高参数啄、大机组果、大电网泪”集中式桥供电将仍另然长期是留我国电力看发展的主捎要方向，搬小微型分长布式电源鸦是集中式案电源系统纪的重要补杂充。它增屋加了电网到的质量和嗽可靠性。小型或微胸型燃气轮扛机CCH堤P分布式躁电源总能省效高；总伴投资（含赠输变电设乏备等）与平大型集中革式电源相谈当或略低许；燃机性牛能好，运钥行可靠，益大修期长库；具有很纠好的经济修性。天然气是怀比轻柴油贱还要洁净盆、低炭的厌优质燃料狡，且可比快价格与轻嫁柴油相当呜，通过综巾合梯级利断用可获得曲更高经济道效益。小预型或微小樱型燃气轮机轰CCHP分布式电举源系统正赞是天然气千利用的最刺好模式之望一。欧美国家虚小微型燃固气轮机产浸品成熟，希性能好；语与同容量托柴油机分学布式电源蕉相比，小茂微型燃气询轮机分布幕式电源还眯具有结构蝇紧凑、运另行可靠性洒高、低噪副音、低振胶动等多方容面优势。轨它是分布翠式电源的床首选主机夸。冷热电联罪产(CC盼HP)是一种建称立在能量帽梯级利用很概念基础戒上,通过挥能量梯级猫利用原理伐,使锅炉裳(或其他筛热工设备磁)产生的如具有高品遭位的热能俱蒸汽通过扬汽轮机发暂电,同时规冬季利用郊燃汽轮机敢抽汽或排趁汽向用户际供热,夏葛季利用吸钩收式制冷枪机向用户镇供冷以及椒全年提供质卫生热水停或其它用固途的热能似的一体化考多联产系稼统。冷热电训联产系拴统是以下矛系统的侧集成:恶发电设午备、热谎工系统慰、锅炉草或蓄热纠系统、别通风/性室内空厉气品质既系统以酬及建筑呆控制和羞系统集乒成技术洁。发展C旬CHP产系统的屑优点(1)发西展CCH保P系统有居助于提高赛能源利用书率CCH配P系统奇可大幅杨度提高己能源利到用率,片其能源综合练利用率胜可达到80%型～90俱%。(2)发渡展CCH提P系统有凤助于环境城的保护CCHP曾系统CO2排放仅为掩传统能源刻系统的30%～霞50%。(3)发逆展CCH墓P系统有饶助于缓解指电力高峰臭负荷(4)发奖展CCH爸P系统可知以提高供守电安全性分布式暖区域冷匪热电联虑供系统分布式价区域冷剥热电联妙供系统工的功能辞与传统脆冷热电事联供相问同，均睬可向周薄边区域准提供冷忽、热和毒电力，疗但由于女其相对死独立，河因此又镰称为“蜡能源岛喂系统”凯（简称配“能源救岛”）桐。在能草源岛中专，发电瘦系统以纪小规模短（数千鸟瓦至数狱兆瓦）涌，分散雪布置的棋方式建玩在用户猛附近，振独立地班输出电铜、热或京冷。天然气粒能源岛随系统的隔核心是义热电转缘瑞换装置爽与热冷否转换装砍置，就过我国现丑有的技勺术条件璃看，关躬键技术另在于小喇型或微互型的热扔电转换阳装置。盗如前所释述，国完际上现筹已投入赏商业化芒运用的辆能源岛孕。微型燃气岔轮机CC纽奉HP经济盯性分析相同热功咸率Bow栗man裹TG80债型微型燃尸机CHP乖与燃气锅艳炉比较设备项目BowmanTG80型微型燃机燃气锅炉前置循环回热循环提供热功率kW420150420设备供暖面积m2840030008400设备利用小时h650065006500年供热收入元/年451,526.72161,259.54451,526.72燃机发电效率%14260燃机发电量kW80800发电系统净出力kW72.976.20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/h59.031.848.17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/kW0.050.050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)千瓦造价元/kW6,972.005,162.60/设备投资回收周期年4.063.95-2.6渗建筑节能1、我国建种筑能耗睁现状2、我卡国建筑高节能工丝式作现状3、建挑筑节能稳技术我国建筑戴能耗现状我国建筑忍能耗高首艰先体现在虏耗量大。涝２００２组年前我国修建筑能耗续总量达３．５隶亿吨标准煤，己占全社会嫁总能耗的２７．６逼％。建筑能造耗高的留另一个叫原因是翻能效低障。整个列供热系堤统综合习效率远你低于发咱达国家８０％的水平。愿公共建筑朴中央空调破系统的综乐合运行效箩率也较低乘。特别是柜我国建筑貌围护结构柳保温隔热涛性能普遍帆较差，与援气候条件涨接近的发埋达国家相宣关指标对猫比，我国呜建筑外墙性、屋顶、宅门窗传热粥系数和空既气渗透率宿要高出几究倍。我国建筑会节能工作滑现状目前我国及的建筑节筒能工作主那要围绕提患高建筑物涛围护结构艺的保温隔拒热性能和窄提高供热输制冷系统药效率两个板方面展开低。近几年础又在太识阳能、命风能、柄地热、剑生物质则能等新青能源和晚可再生声能源的膏利用方济面开展删了一些范工作。建筑节外能技术围护结构全节能成套疫技术——重运点发展呆适用于队不同气样候条件清的各种协节能墙扒体、屋锄顶以及核门窗，畅特别是种外墙外橡保温技编术和高爬效节能疤窗技术衬，包括价用粘贴恳、钉挂瓶、浇入蹲和涂抹纤等方法招固定高会效保温斜材料的通多种外毙墙外保皇温技术辣，以及舌采用中雨空密封箱玻璃、缸低发射肝率玻璃莲、充惰浅性气体填玻璃以荐及断桥辆合金窗阁框、复喷合塑料牢窗框和窗活动外省遮阳帘炼等多种汉节能窗呈技术。规开发各贞种新型悲高效节抬能墙体夸材料、翠保温隔嫌热材料户和高性救能锦建筑占玻璃及杯其应用碧技术。2.7揪清洁、高捷效新型燃窃料清洁燃幕料型二袄甲醚甲醇及醇丘醚燃料清洁燃料旧型二甲醚二甲醚简智称DME赴(Di渔meth窝yEt厨her)莲,DME符在常温跳常压下储为无色防无味气露体。因排其良好峰的理化欺性质,思可广泛稍地应用蛋于化工探、日化火、医药浸和制冷绪等行业础。近几型年更因果其燃烧瞎性能好忙、清洁贤、辛烷鹅值高、文动力性鸭能好污那染少等炕特性,懒用于车瞒用替代谎燃料,绒具有天砌然气、蓝甲醇、吐丙烷、串丁烷、恋柴油等肿不可比膝拟的综各合优势毯。甲醇及锻醇醚燃庙料甲醇及醇僚醚燃原料叔来源丰富响，有害排谱放物少，肌机动好，班正在逐步沫进入现有恨的车用燃构料市场。甲醇可由辽合成气合酬成，煤炭示、石油、怒天然气、放沼气、生角物质等均查可转化为条合成气，顿因此，甲瞒醇原料来握源十分广谎泛。甲醇阔可由Ｃ抱Ｏ2＋夫Ｈ2合泻成，在使谷用时，又对可利用发昨动机余热固重整为Ｃ报Ｏ2＋定Ｈ2。盆利用核能脊或太阳能貌，二氧化基碳和氢气屋合成为甲困醇，在发氏动机中，秃甲醇先重肉整为二氧幅化碳和氢秩气，氢气势可以作为灾发动机的陶燃料。甲醇的莫抗爆震枯性能好耻，其辛参烷值超精过11迈0，甲宝醇可以妖部分地虑代替芳现烃作为粥汽油的偷辛烷值糠增进剂逗，从而耐降低汽拥油中芳毛烃的含丢量。3.妈可再生限能源3.1阁太阳轨能3.2芝地热能3.3识海洋戴能3.4猾沼气太阳能及讯其利用方那式目前对太用阳能的利乱用主要是鞋通过两条禽途径:光热利用锯和光电利泥用。光热利用包括太仗阳能热扯水器和污热水工室程以及泄太阳能百的吸附退式制冷棵等。光电利用现阶段主舍要是直接跌利用,即荒采用太阳友能电池进热行光电的执直接转换特。利用太阳资能加热工苹质,驱动蠢热力机械暂循环做功铅发电,是犁太阳能光板电转换的箱第二种方横式。地热能浩利用方窑式直接利耕用温泉黄或热水喘井的热绞水供温挎室或供脱暖用建立地捷热电站戒转换成愁电能（1）求利用干甘燥的过醒热蒸汽牌和高温治水发电（2）利罩用中等温咬度（10榴0℃）水右通过双流淋体循环发电设槐备发电3.3巾海洋遥能海洋能指依附在拜海水中的湾可再生能刮源，海洋彼通过各种悔物理过程蓬接收、储岁存和散发寻能量，这字些能量以鄙潮汐、波萄浪、温度密差、盐度少梯度、海烟流等形式胡存在于海浓洋之中。海水温差邪能是热能失，低纬幕度的海来面水温连较高，辉与深层熄冷水存帆在温度封差，而棋储存着麻温差热爆能，其祥能量与象温差的臭大小和滩水量成潮正比。潮汐、半潮流，胸海流、蝴波浪能都是机景械能。4.辨别节能技术中的伪科辛学4.1贺依据语:能钞量守恒纽奉与转换感定律;物质不链灭定律耽;4.2喜例子霉:1)纳召米油或纳婚米油添加汪剂可大大选提高效率油的发热能量是其分门子中C和杏H完全燃冒烧放出来的，是钥可以精尤确算出握的。现误代燃烧档器燃烬澡率已很高，额外遭热量哪里甲来！？纳米：声1nm勿=蜘10–9m,是捕原子或分撞子级大小沉，加入后能源皇使单位奶发热量扎提高吗弱？2）慕关于重毒油掺水浮燃烧技主术200号赚重油,掺念水率率8勇.1%,芹燃烧效率软提高

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