热能转换与利用中的节能技术
邹 峥 集 美 大 学 能源与动力工程研究所
2005.3.
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.总结
１.基本概念和基本原理
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、地热能和海洋热能等 1.2 热力学第一定律和热力学第二定律
? 热力学第一定律即能量守恒与转换定律，它揭示了能在量上的特性。
? 热力学第二定律涉及的是能在质上的特性。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。
? 能在数量上的守恒性和在质量上的贬值性，构成了其全面的特性。
１.３节能的基本分析方法—热平衡法和火用平衡法
? 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）。 ? 火用（Exergy）平衡法是建立在热力学第二定律基础上的能量分析方法，需要建立系统有效能（即火用）的平衡。由于火用只是能量中的可用能部分，它的收支一般是不平衡
的，在实际的热力过程中，一部分可用能将转变为不可用能，火用将减少，称为火用损失，平衡是火用与火用损失（不可用能）之和保持平衡。 １.４热平衡法简介
1.分类： 按研究对象可分为设备热平衡和企业热平衡 2.基本参数：燃料发热量及热值；等价热量和当量热量 3.技术指标：
能耗：考核生产单位产品产量或产值的耗能量。有单 耗、综合能耗之分；
能源利用率：反映企业用能水平的主要指标，分为设备
热效率、企业能源利用率和装置能源利用率； 回收率：反映企业由于余热回收和利用所带来的节能效 果指标
4.类型：供入热平衡、全入热平衡和净入热平衡
１.５设备热平衡—以锅炉热平衡为例 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：
qr = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6 （%） （1-2）
kJ/kg ， q6≈0 ；对于气体燃料，Q4≈0 kJ/kg ，Q6≈0 kJ/kg ， 对于液体燃料， Q6≈0
q4≈0， q6≈0
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：
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 燃煤锅炉
2.2.2 油、气锅炉
锅炉经济运行原则
1、推广集中供热、发展热电联产 2、充分燃烧，提高锅炉热效率
要使燃料充分燃烧，必须满足三个条件：
（1）要有足够的空气（氧气），并与燃料充分接触； （2）炉膛要有足够高的温度使燃料着火；
（3）燃料在炉膛内有足够的停留时间，能使其完全燃尽。 采取的技术措施有： （1）合理送风，随时调节； （2）采用二次风，强化燃烧； （3）优化控制过量空气系数。 3、实现自动控制，改善燃烧条件 2.1.1 燃煤锅炉
1、燃煤工业锅炉存在的问题
2、富氧燃烧技术（O2/CO2燃烧技术，或 空气分离/烟气再循环技术，又被称为N2一free Process ） 3、富氧助燃技术
4、循环流化床锅炉燃烧技术
? 电站锅炉：1999年我国燃煤电站锅炉年发电总量10047亿kWh，以403g/kWh平均煤耗计，共需要4.05亿吨标煤，折算到原煤（以21000kJ/kg计）大约是5.67亿吨；
? 工业锅炉：国家计委2000年统计，我国工业锅炉约50多万台，年耗煤3.7亿吨，年耗煤炭占煤炭总产量的三分之一左右。
电站锅炉和工业锅炉总共耗煤近9.37亿吨。约占年产原煤总量12亿吨的80%。
燃煤工业锅炉存在的问题:
1、燃烧效率偏低技术落后，多为层燃火床炉，一般要求燃用颗粒煤。然而，目前煤炭以统煤、原煤形式供应，煤末占20%～30%，甚至达30%～40%。这样,就更加导致工业锅炉燃烧效率普遍偏低，一般只能达到80%～85%，小型工业锅炉，有的低至60%以下。
2、严重污染环境。散放的粉尘，SO2、NOx,CO2和灰渣 等污染环 境。据统计2000年我国SO2排放总量为1995.1万吨，其中90%为燃煤所造成，工业锅炉的排放占1/3。华中、华南、西南和东北部分地区成为酸雨污染严重的区域。17个城市被国务院划为酸雨控制区，占全省国土的63%，年经济损失超过40亿。
富氧燃烧技术是用空气分离获得的纯氧和一部分锅炉排气构成的混合气代替空气做矿物燃料燃烧时的氧化剂，以提高燃烧排气中的CO2浓度。用纯氧时，烟气经干燥脱水后可得浓度高达95%的CO2，排气经冷凝脱水后，其量的70一75%循环使用，余下的排气中的CO2经压缩脱水后用管道输送。由此得到的高浓度CO2在经过有害气体脱除之后有很好的商业用途，可以作为植物的催肥剂、化工产品的原料，在石油开采中灌入油田使分散的原油膨胀聚合并减低原油的粘稠度，便于开采，或者直接将其注入海底，使其与海水中的矿物质反应生成稳定的化合物，实现CO2的固化
富氧燃烧系统与传统的空气燃烧系统相比，减少了烟气量，简化了烟气处理系统，具有排烟损失减小、锅炉效率提高的优点，但由于制氧设备和CO2压缩设备需要消耗大量的电力，因此总的电站效率有所下降，但是与使用空气燃烧系统同时加装喷氨脱硫设备的机组相比，使用富氧燃烧系统的电站效率更高。
富氧燃烧技术按烟气再循环的方式不同可分为干法循环(烟气脱水后循环)和湿法再循环(烟气不脱水)，采用干法的缺点是设备投资和运行费用都高，但可减少再循环烟气中的水蒸汽的腐蚀作用。从煤粉锅炉系统的安全角度考虑，采用CO2气体作为一次风携带煤粉，大部分O2与其余的CO2混合后作为二次风送入燃烧室，少部分O2供燃烧初期耗氧在适当的位置送入。从循环烟气中冷凝分离水蒸汽后，用三甘醇【二缩三乙二醇似（HOCH2CH2OCH2）2〕作为溶剂吸收CO2，吸收CO2后的溶剂加热解析CO2，获得浓缩的CO2，溶剂再循环使用。 富氧助燃在工业锅炉上的应用
☆对称燃烧——适用于一般工业锅炉，特别适用于燃油/气窑炉和热媒炉，采用强化燃烧提高火焰温度，使辐射热显著增加。
☆α型燃烧和S型燃烧和四角燃烧技术 ——适用于煤粉炉、抛煤机炉、循环流化床锅炉和链条炉等，目的是强化扰动，延长燃料和烟气在炉膛中停留时间，从而充分燃烧，放出更多有效热量。
膜法富氧局部增氧助燃集成技术及装置 ——应用于链条炉 1、膜法富氧技术简介
2、富氧助燃技术的节能和治理污染的机理 3、富氧的工艺流程 4、技术指标
膜法富氧技术简介
膜法富氧技术是指利用一种高分子的膜对空气中的氧和其它组分渗透率不同的特点，以膜两侧压差为动力，提高透过气中氧浓度的膜渗透技术。膜法富氧技术是最近几年才发展起来的一种高新技术，在较小规模和较低浓度条件下，相对于其他制氧技术有较强的优势，当富氧浓度在30%（v/v），富氧流量小于5000m3/h(标准状态)时，膜法富氧装置的投资、运行及维修费用仅为深冷却和PSA（吸附法）的1/3左右，富氧流量越小，膜法富氧的经济性越高。膜法富氧还具有设备简单，启动快捷，用途广泛，运行安全等特点。
富氧助燃技术的节能和治理污染的机理 1、降低燃料的着火温度 2、降低过量空气系数
3、提高炉膛烟气温度，改善链条炉煤层的着火条件 4、有利于环境保护
降低过量空气系数
现代的链条炉燃烧技术虽然较以前有所提高，但由于煤种变化，制造安装水平及运行条件不同，链条炉要达到一定的燃烧效率所供给的空气，需依赖大的过量空气系数。例如燃用
Ⅱ类烟煤较好的链条炉，炉膛出口的过量空气系数约在1.5左右。过量空气的增多使锅炉的理论燃烧温度降低，炉内的传热效率降低，同时这部分无用的显热随排烟带走也会造成排烟损失。
运用富氧助燃烧提高了链条炉排的燃烧水平，把一部分燃料燃烧过程从炉排移至炉膛空间、可以减轻炉排的燃烧强度、提高燃尽率，降低排烟热损失。计算和实践表明：对于30%的富氧，每1%理论空气量可以减少0.15~0.2的过量空气系数，排烟热损失可以降低2~4%。
提高炉膛烟气温度，改善链条炉煤层的着火条件
链条炉煤层的着火属于强迫型热力着火方式，它 要靠大量吸收火焰及炉膛的辐射热才能达到着火能的要求，是一种着火性能很差的燃烧方式。由于着火不及时，使煤层在有限长度的炉排上燃烧时间缩短，燃尽率降低。采用富氧助燃技术，使煤的一部分燃烧过程移至炉膛空间后，炉膛的火焰温度提高，火焰向炉膛辐射热量的传热能力提高，煤层便能获得大量的着火热，着火现象便能及时发生。实践表明采用富氧助 燃后，炉膛的温度水平可以提高80~145℃，这对改善链条炉燃烧的弱点起到很大的作用。
富氧的工艺流程（应用于20T/H链条锅炉） 循环流化床（CFB）锅炉
? 影响锅炉热效率的关键是飞灰热损失。因此锅炉设计时要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；此外正确热力计算，布置辐射受热面，以获得炉膛900℃的高温，以提高飞灰燃尽率。同时还要选择一个高效的分离器。
? 增压流化床燃烧技术（PFBC）
增压流化床燃烧（PFBC）技术从原理上基本同常压流化床燃烧（AFBC）大体一致。采用增压（6～20个大气压）燃烧后，燃烧效率和脱硫效率得到进一步提高。燃烧室热负荷增大，改善了传热效率，锅炉容积紧凑。除了可在流化床锅炉中产生蒸汽使汽轮机做功外，从PFBC燃烧室（也就是PFBC锅炉）出来的增压烟气，经过高温除尘后，可进入燃气轮机膨胀做功。通过燃气/蒸汽联合循环发电，发电效率得到提高，目前可比相同蒸汽参数的单蒸汽循环发电提高3～4％。因此，采用增压流化床燃烧联合循环（PFBC-CC）发电能较大幅度地提高发电效率，并能减少由于燃煤对环境的污染。
2.1.2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。
* 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 % 。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。
什么叫重油？
重油是介于固体煤炭燃料与轻质石油燃料之间的粘稠体燃料，是石油炼制过程中产生的最下层残渣油品，而在石油中所含的不易分解的多种重组分大部分集中于渣油中，主要组分包括：碳氢化合物、胶质沥青质、金属及灰分、水分以及氮、硫等有害元素，故重油的密度大粘度也大。重油主要组分碳的含量高达85%左右，其热值在37000-44000kJ/kg之间，因此重油的发热量高，而重油的综合价格条件优于其它燃料，所以成为高能耗企业的主要燃料。