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节能原理与技术中国矿业大学机电学院动力工程系韩东太课程性质目的和任务本课程是面向热能与动力工程专业本科生的一门综合选修课。它主要包括：热力发电和供热中的基本原理技术（如热电联产、燃气蒸汽联合循环、热泵供热等）、火力发电和供热的节能技术（如发电厂热力系统节能理论、热管技术、泵与风机节能技术等）及新能源的开发利用，是能源工作的重要基础知识。通过本课程的学习，了解和掌握火力发电和供热各种型式的基本原理、特点与发展前景、常规火力发电与供热过程的节能方法和新能源的发展状况，拓宽学生的知识面，为培养科研人员和高级工程技术人才奠定基础。参考书目•陈听宽等，节能原理与技术，机械工业出版社•李崇祥等，《节能原理与技术》，西安，西安交通大学出版社•周鸿昌编著，《能源与节能技术》，上海，同济大学出版社•林万超著，《火电厂热系统节能原理》，西安，西安交通大学出版社一、总论1.世界和我国能源消费及资源状况2.能源的分类和利用3.热能转换与利用中的节能技术4.可再生能源5.我国的节能政源现况6.总结（节能的意义）1、世界及我国能源消费及资源状况2004年底石油(亿吨)煤(亿吨)天然气(万亿立方米)中国23(1.4%)1145(12.6%)2.23(1.2%)世界1642.89087.3185.8世界和我国能源剩余可开采量1、世界和我国能源消费及资源状况-10.0-5.00.05.010.015.020.025.030.035.040.0199419951996199719981999200020012002年%GDP增长率工业能源消耗增长率我国GDP增长率随能耗变化趋势1、世界和我国能源消费及资源状况潜在的能源危机诱因：后果：经济又进入一个快速发展期能源建设滞后于经济发展2002年12个省级电网拉闸限电；2003年23个省级电网拉闸限电；2004年24个省级电网拉闸限电。能源利用率低1、世界和我国能源消费及资源状况世界主要经济国家能源利用率02000400060008000100001200014000GDP/toe印度墨西哥法国德国意大利英国加拿大日本美国巴西俄罗斯西班牙澳大利亚中国世界世界主要国家能源利用经济效率世界平均水平是中国的2.6倍日本是中国的6.1倍2、能源的分类和利用能源的分类能源的分类按能源性质分按来源来分核能(裂变和聚变1kgU235裂变相当于2000toe)和地热能太阳辐射能(6×1017kW·h/a)潮汐能一次能源二次能源再生能源不可再生能源燃料能源:矿石\化工\生物非燃料能源:利用机械能\热能能源本身特征含能体能源/可储存（水库）过程性能源/不可储存（流水）按能源污染程度清洁能源/太阳能，风能非清洁能源/煤炭石油能源的转换和利用2、能源的分类和利用能源评价的技术指标1.能流密度：就是在一定空间或面积内，从某种能源实际所能得到的能量或功率，太阳能100W/m2；2.开发费用和设备价格；3.存储可能性与供能连续性；4.运输费用与损耗；5.对环境的污染；6.储藏量；7.能源品位。3、热能转换与利用中的节能技术3.1工业锅炉提高热效率的有效途径3.2余热利用3.3热电联产和集中供热3.4燃气—蒸汽联合循环3.5清洁、高效新型燃料3.1工业锅炉提高热效率的有效途径3.1.1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。3.1.2循环流化床（CFB）锅炉*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。3.1.3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(平均直径MD≤40µm)，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，；（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）燃烧器不结焦、不堵塞；（5）火焰刚性强，喷射速度高；（6）雾化效果不随流量大小影响，流量调节比大，可达1:5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。•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。3.2余热利用3.2.1余热资源3.2.2余热利用方式3.2.3热管和热泵技术3.2.4热能的贮存系统3.2.1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℃）3.2.2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3.2.3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：（1）热管开水器（2）热管空气预热器或热管省煤器3.2.4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0.5～2.0MPa；工作温度200～300℃•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。3.2.5蓄冷技术•意义：移峰填谷，节电省钱所谓蓄冷就是让制冷机组在电力负荷低谷期运行，所产生的冷量储存起来，在需要时才将冷量释放出，满足生产和生活用冷的需求。•冰蓄冷：水蓄冷系统就是利用水的显热来储存冷量，水经冷水机组冷却后储存于蓄冷罐中用于次日冷量供应。蓄冷量的大小取决于蓄冷罐容积和蓄冷温差。所谓蓄冷温差是指负荷回流水与蓄冷罐供冷水之间的温度差。•水蓄冷：冰蓄冷就是将水制成冰，利用水的相变潜热进行冷量的储存。由于冰蓄冷除了可以利用一定温差的水显热外，主要利用的是335kJ/kg的相变潜热。因此，与水蓄冷相比，储存同样多冷量，冰蓄冷所需的体积比水蓄冷的体积小得多。3.2.6载热体加热炉•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．3.3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）•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、通风/室内空气品质系统以及建筑控制和系统集成技术。冷热电联产(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冷热电联产3.4燃气—蒸汽联合循环•燃气—蒸汽联合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-IntegratedGasificationCombinedCycle）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。3.5清洁、高效新型燃料•清洁燃料型二甲醚•甲醇及醇醚燃料清洁燃料型二甲醚•二甲醚简称DME(DimethyEther),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。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ＣＯ2＋Ｈ2合成，在使用时，又可利用发动机余热重整为ＣＯ2＋Ｈ2。利用核能或太阳能，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。4.可再生能源4.1太阳能4.2地热能4.3海洋能4.4沼气4.1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。4.2地热能利用方式•直接利用温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4.3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