过程装备是能源生产的核心

过程装备是能源生产的核心轩福贞华东理工大学机械与动力学院[e-mail]现代过程装备与控制工程现代过程装备与控制工程--系列讲座之五系列讲座之五主要内容能源生产与过程装备概述能源生产与过程装备概述火力发电过程与装备火力发电过程与装备原子能发电过程与装备原子能发电过程与装备生物质发电过程与装备生物质发电过程与装备物质基础——原始大气（CH4、NH3、H20、H2、H2S、HCN、CO、CO2）能源——火山爆发、紫外线、闪电等场所——原始海洋生命产生，地球上的第一道闪电！1953年美国人米勒（StanleyMilller）模拟试验装置能源是人类社会不可或缺的重要生产要素和物质基础Energy,thesourcesoflife能量……系统信息计算材料化学物理数学辐射能电能化学能机械能热能核能石化化纤发电冶金矿山交通运输航空航天环境……燃烧合成分解运动变形……能源的定义能源是一个包括所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类采用适当的转换手段转换手段，给自己提供所需的能量。——《大英百科全书》能产生能量的物质，如燃料、水力、风力等。——《现代汉语辞典》能源能源是能量的来源，是提供能量的资源。要么来自物是能量的来源，是提供能量的资源。要么来自物质，如煤炭、石油、天然气等，要么来自物质的运质，如煤炭、石油、天然气等，要么来自物质的运动，如水流、风流、潮汐等。动，如水流、风流、潮汐等。为便于运输和使用，需对上述能源经过一定的加为便于运输和使用，需对上述能源经过一定的加工、转换，使之成为更符合使用要求的能量来源。工、转换，使之成为更符合使用要求的能量来源。过程设备则应运而成为能源加工和转化的工具和平过程设备则应运而成为能源加工和转化的工具和平台。台。水能天然气石油煤电蒸汽氢气煤气我们有多少类能源？一次能源二次能源风能自然界存在，可直接利用需加工转化，方便利用潮汐能太阳能风能水能石油煤核燃料天然气我们有多少类能源？可再生能源非再生能源清洁能源非清洁能源能源转化与过程装备太阳能铀氘、氚热能电能煤石油天然气煤潮汐能风能动能势能化学能核能辐射能机械能内燃机锅炉、工业热装置核反应堆光伏电池蒸汽机电动机电热装置用户用户用户用户发电装置能源利用，人类进步的阶梯能源利用，人类进步的阶梯钻木取火木牛流马法国人亨内考，永动机，1300工业机器人火星车能源利用，人类进步的阶梯能源利用，人类进步的阶梯薪柴能源原始经济、农业经济农业经济钻木取火钻木取火蒸汽机蒸汽机内燃机内燃机工业经济工业经济反应堆反应堆燃料电池燃料电池光伏电池光伏电池核聚变核聚变知识经济知识经济年代年代社会发展化石能源后续能源节能能力》30%能源和驱动技术的进步：脱碳加氢的过程燃煤石油燃气、替代燃料氢气CCCC气-电混合动力油-电混合动力电-电混合动力混合动力技术050001000015000200002500019601970197519801985199019951999年美元/人0.002.004.006.008.0010.0012.00吨标煤/人美国（人均PPP）英国日本韩国新加坡中国人均能源消费量人均PPP能源消耗与国家实力的关系过程装备概述从能量利用角度，过程装备的目的包括：能量在空间上的转移，能量的传输。能量在时间上的转移，能量的存储。过程设备的分类：动设备静设备动设备，机械能生产的源泉离心式压缩机活塞式压缩机泵罗茨鼓风机静设备，能源转化的核心工业余热锅炉换热设备我国自主设计制造的核电设备蒸汽发生器蒸汽发生器压力容器稳压器核岛（600MW）™合成塔、反应器、吸收塔等化工设备SynthesisConverter,Reactor,Absorberetc.ChemicalVessel™储油罐、储气罐、球罐等大型容器OilTank,GasTank,SphericalTank™化工设备中各类换气器及管道AllKindsofTubes重560t的加氢裂化反应器560THydrocrackingReactor工业管线建设中的镇海国家石油储备基地2005年下半年投用西气东输工程2004年8月3日西气东输工程全面贯通昀后一道焊口穿越黄河国家能源科技战略布局加强节能提高能效以煤为主多元化发展可再生能源和氢能利用能源科技高发能展效节技能术和提经煤济炭清合洁理技高术效技保术障支石撑油体安系全先进核能技术技大术型研水究电开工发程力先输进配可系靠统的电模可化再利生用能技源术规池氢技能术与燃料电火力发电过程与装备电力工业的产生与发展在公元1831年，法拉第发现电磁感应原理，建造了第一座发电机原型，其中包括了在磁场中迥转的铜盘，此发电机产生了电力。第二年，法国人皮克希应用电磁感应原理制成了昀初的发电机。皮克希的发电机是在靠近可以旋转的U形磁铁（通过手轮和齿轮使其旋转）的地方，用两根铁芯绕上导线线圈，使其分别对准磁铁的N极和S极，并将线圈导线引出。从皮克希发明发电机后的30多年间，虽然有所改进，并出现了一些新发明，始终未能研制出能输出像电池那样大的电流，而且可供实用的发电机。1867年，德国发明家韦纳·冯·西门子用电磁铁代替永久磁铁，电磁铁的铁芯在不通电流时，也还残存有微弱的磁性。当转动线圈时，利用这一微弱的剩磁发出电流，再反回给电磁铁，促使其磁力增强，于是电磁铁也能产生出强磁性。制成了这种新型的发电机，它能产生皮克发电机所远不能相比的强大电流。同时，这种发电机比连接一大堆电池来通电要方便得多，因而它作为实用发电机被广泛应用起来。意大利物理学家帕其努悌于1865年发明了环状发电机电枢。这种电枢是以在铁环上绕线圈代替在铁芯棒上绕制的线圈，从而提高了发电机的效率。实际上，帕斯努悌早在1860年就提出了发电机电枢的设想，但未能引起的人们的注意。1865年，他又在一本杂志上发表了这一独创性的见解，仍未得到社会的公认。1869年，比利时学者古拉姆在法国巴黎研究电学时，看到了帕其努悌发表的文章，认为这一发明有其优越性。于是，他就根据帕其努悌的设计方案，兼采纳了西门子的电磁铁式发电机原理进行研制，于1870年制成了性能优良的发电机，被人们誉为“发电机之父”。电力工业的产生与发展德国的西门子公司研究发电机的工程师阿特涅。他发明了古拉姆发电机不同的线圈绕线方式，制成了性能良好的发电机。西门子公司由于阿特涅的这项发明而益发驰名。于是，德国以西门子公司为核心，大力研制各种发电机，从而使电力工业得到了迅速的发展。为了远距离输送电，就要架设很长的输电线。但是，在输电线中通过很强的电流时，电线就要发热。为了减少电能在长距离输送中的发热损耗，可以采用的办法有两个：一是增加电压的截面积，即将电线加粗，减小电阻；二是提高电压而减小电流。前一个措施因需要大量的金属导线，而且架设很粗的导线有很多困难，因而很难得到采用。对于当时使用的直流电来说，使其电压提高或降低都是难以实现的。于是，人们只得开始考虑利用电压很容易改变的交流电。西门子公司的阿特涅便于1873年发明了交流发电机。电力工业的产生与发展电厂的早晨电厂原料—煤与石油石油石油石油是从地下深处开采石油是从地下深处开采出来的褐色可燃粘稠状出来的褐色可燃粘稠状液体。液体。石油的元素成分主要是石油的元素成分主要是碳碳（（83%83%--87%87%）和）和氢氢（（11%11%--14%14%），此外还有少量的），此外还有少量的氧、氮、硫等元素，通氧、氮、硫等元素，通常在常在1%1%以下。以下。我国是世界上昀早发现和利用石油的国家之一东汉史学家班固在其所著的《汉书·地理志》中就写道：“高奴有洧（wei）水可。”　即燃，这里所说的可燃水就是石油，高奴地当今陕北延长一带，现仍是石油产地。这是我们目前发现的石油昀早记载。北魏郦道元在地理名著《水经注》中对这一地区的石油作了更为详细的记载：“高奴县有洧水，肥可燃。水上有肥，可接取用之。”这里所说的“肥”，即石油古代石油的利用(1)照明。《博物志》就有古酒泉延寿县南有泉水，“其水有肥”，“然之极明”的记载。(2)沈括经过对石油的研究，首先发现了燃烧石油所产生的“石烟”可作为墨，开创了把石油作为化工原料的新篇章。他在《梦溪笔谈》中有这样一段生动记述：陕北延安一带的石油，“燃之如麻，但烟甚浓，所沾幄幕皆黑，予疑其烟可用，试扫其煤以为墨，黑光如漆，松墨不及也，遂大为之，其识文为“延川石液’者是也”。(3)入药。成书于六世纪的《魏书》，记载了我国新疆库车一带的石油“状如醍醐，甚臭，服之发齿已落者能令更生，病人服之皆愈”。李时珍《本草纲目》“石油气味与雄硫同，故杀虫治疮。其性走窜，……故钱乙治小儿惊热、膈实、呕吐、痰涎，银液丸中用，和水银、轻粉、龙脑、蝎尾、白附子诸药为丸。不但取其化痰，亦取其能透经络，走关窍也。”我国的石油资源及分布我国三大石油公司中国石化中国石油中海油11、石油炼制加工的第一阶段：、石油炼制加工的第一阶段：蒸馏蒸馏（分馏）（分馏）（（11）原理：沸点不同）原理：沸点不同（（22）物理变化）物理变化22、石油炼制加工的第二阶段：化学加工、石油炼制加工的第二阶段：化学加工————催化裂化催化裂化化学变化化学变化石油炼制石油炼制无烟煤泥煤褐煤煤的发现与应用•煤的发现和利用记录也属于古代中国人。马可波罗在中国看到人们燃烧黑色的石头取暖，非常惊讶。•女娲炼石开中华民族开采煤炭之先河，她昀早使用了煤。女娲烧煤的遗灶至今仍留存在山西平定县城北25公里的东浮山上。　东浮山成了中国煤炭开采的圣地。•晋代王嘉的《拾遗记》写道：水渠边生活的先民们，到了黑夜燃烧着石头来维持白天的光亮，这种石头出自燃山。它的土石都很光亮，经过敲打碎开了，形状像栗子，往往燃烧一粒就能辉映一间屋子。过去炎帝昀初改变茹毛饮血的习俗，就是用它做饭的。现在举国都进贡这种石头。洁净煤技术煤炭加工煤炭转化先进发电技术烟气净化技术等煤炭洗选型煤水煤浆煤炭气化煤炭液化高效超临界发电常压循环流化床加压流化床联合循环整体煤气化联合循环烟气除尘技术烟气脱硫脱硝技术其它污染控制新技术煤分相燃烧无烟环保锅炉原理图立式燃煤无烟环保锅炉原理图煤变油原理示意图神华煤直接液化工程项目是世界上首次进行的煤变油产业化示范工程。一重为神华煤变油工程承制的两台反应器是煤直接液化工程的核心设备，它是目前世界昀大的锻焊结构反应器。反应器总长63m，内径4812mm，壁厚336mm，单重2040吨。2040吨煤直接液化反应器吊装现场化石能源大规模化石能源大规模应用引发的问题应用引发的问题环境改变环境改变!!煤电为主的格局将长期保持不变2005年发电装机容量超过5亿kW中国电力结构火电约占74%。其中为95%煤电。中国平均供电煤耗远高于国际先进水平32438540/54017.0亚临界27844600/60025.0高温超临界30041567/56725.5超临界36035535/53513.0超高压2155770030.0高温超超临界20560超7003O超700℃25648600/600/60030.0超超临界390335109.0高压460274353.5中压煤耗(g)效率(%)温度(℃)压力(MPa)火电发电效率与操作参数的关系(中国电力报,2004.02.19)温度效率煤耗19世纪未2020前后燃煤发电装备的发展趋势更高效率燃气-蒸汽联合循环发电系统国外先进燃煤发电装备技术研发计划欧盟的ThermieAD700用20年实现37.5MPa/700℃参数运行，效率达到55%的目标，Thermie计划由40多个欧洲公司资助，预计于2015年完成。其中关键部件将采用Ni基高温合金,材料研究工作集中于高温长期运行部件的蠕变性能、烟气和蒸汽腐蚀氧化、热疲劳性能和厚壁部件的生产、焊接能力等美国的Vision21为15年后建立能使用煤、天然气、石油焦、生活垃圾等多种原料且能生产电能、液体燃料、化工品、氢或者生产供热等多种产品的工厂提供技术支持，且要求实现零排放，蒸汽参数达到760℃，其后将进一步达到870℃。日本的NewSunshine日本“新阳光（NewSunshine）”的发电技术研究计划，目标是建立运行温度700℃的发电机