供热设备与节能技术俞建洪集美大学

供热设备与节能技术俞建洪集美大学1.基本概念和基本原理2.供热设备及节能技术3.向管理要能效4.总结１.基本概念和基本原理１.１供热设备１.２热力学第一、二定律和传热学基本公式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。其能量方程式：Q=∆U+Aw上式表明：加给工质的热量一部分用于增加工质的内能，余下的部分以作功方式传递给外界。其中热功当量w=4.1868kj/kgm•热力学第二定律：(有多种表述)热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到另一个高温物体。•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。•热力学第一、二定律分别揭示了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。1.2传热学基本公式•传热三种形式：辐射、对流和传导•传热学基本公式：Q=KH∆t=KH(tg-td)•传热系数(以炉膛水冷壁管传热为例))/(11111122121cmkwKohhhsgsgsgbbhhh1.2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供热设备热平衡—以锅炉热平衡为例1.4.1固体燃料的热平衡方程式：Qydw=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/Qydw×100%（1-3）(2)反平衡热效率：从式（1-2）可得η=Q1/Qydw×100%=1-（q2+q3+q4+q5+q6）（1-4）2.供热设备及其节能技术2.1工业锅炉提高热效率的有效途径2.2热电联产和集中供热2.3分布式能源利用系统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、二次风；一二次风预热；采用节能炉排片。（已制定行业标准）措施:(以燃烧无烟煤链条锅炉为例)1)合理布置前后拱（中拱）为了及时着火、提高燃烬率；降低q4。2)一次风预热，并采用二次风加强混合，降低q4和q3；3)合理配风、控制过量空气系数；为了降低排烟热损失q2。4)采用省煤器和空气预热器，降低排烟温度，为了降低q2。5)用节能炉排片。（已制定行业标准）２.1.2循环流化床（CFB）锅炉•概述35t/h、75t/h、220t/h(20t/h流化床锅炉)130t/h、600t/h；主要用于供热和发电。•CFB锅炉优势低温燃烧，NOx低；可廉价脱硫；可燃烧无烟煤。•存在问题：CFB锅炉热效率比煤粉炉低,大约80-88%；部件磨损比较严重。CFB锅炉热效率偏低的主要原因是飞灰含碳量高，大约达15-25%；而且飞灰量大（超过50%）。100)100100(6.328.4fhfhfhhzhzhzarnetarCCCCQAaaq　＝　fCfhCfhC降低飞灰可燃物措施：1)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；2)保持床层和炉膛950℃以上的高温，以提高飞灰燃尽率;3)要正确设计燃料破碎系统,防止重复破碎，减少飞灰份额;4)选择个高效的分离器。5)优化返料器配风调节，防止料腿串风。2.1.3油、气锅炉传统的油、气炉为三回程湿背炉。对于油炉：由于先进的燃烧器和成熟的本体设计，柴油燃尽率可控制到理想程度(99%以上)，故油炉提高燃烧效率已没有多少余地。但重油还有一些余地。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，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（％）CH4C2H6C3H8C4H10H2SN295.94940.90750.13672.00620.00021.02.2.4载热体加热炉•优势:高温低压，不用水处理；•载热体介质：液态（矿物油），气相（苯和联苯混合物），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．2.2.5电热锅炉电热锅炉应用场合•一般不提倡使用。因为电能是高品位能源，热能转换成电能的效率一般在40%以下，现在再由电热锅炉转成热能太不合算了。•在特殊条件下使用：对环保要求严格；小容量和其他特定条件。•由于LNG将引入厦门，今后采用燃气锅炉更合理。2.5煤粉工业锅炉•概述德国1999年已开发出类似技术，适用于超细干燥褐煤煤粉。我国已纳入国家科委973计划。•类型（见下图德国steimueller公司开发两种炉型）应用场合：*必须有超细优质煤粉（高挥发份，低灰低硫）*必须配有高效除尘设备（袋式或静电）2.2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）2.3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。2.4分布式能源利用系统2.4.1概述2.4.2框图2.4.3优点2.4.1概述1)分布式能源系统(DistributedEnergySystem简称DES)，又称第二代能源系统。当前，全世界都在推动该系统的建设。第二代能源系统具有6个方面的主要特征：一是燃料的多元化；二是设备的小型化、微型化；三是冷热电联产化；四是网络化；五是智能控制和信息化管理；六是高标准的环保水平。2)分布式能源系统是相对于传统的集中式能量系统而言的。在这个系统中,集合了分布式供电、制冷、采暖、生活卫生水以及其他形式的热能于一体,将发电系统以小规模、分散式布置在用户附近,可独立地输出电、热和冷能的系统,此系统中的主要部分就是分布式供电和冷热电联产系统（Cooling-heating-powerCogeneration，简称CCHP）。同时,应用最新的信息化和智能化技术管理和控制系统,以实现系统化、智能化、经济最优的目的。3)“高参数、大机组、大电网”集中式供电将仍然长期是我国电力发展的主要方向，小微型分布式电源是集中式电源系统的重要补充。它增加了电网的质量和可靠性。4)小型或微型燃气轮机CCHP分布式电源总能效高；总投资（含输变电设备等）与大型集中式电源相当或略低；燃机性能好，运行可靠，大修期长；具有很好的经济性。5)天然气是比轻柴油还要洁净、低炭的优质燃料，且可比价格与轻柴油相当，通过综合梯级利用可获得更高经济效益。小型或微小型燃气轮机CCHP分布式电源系统正是天然气利用的最好模式之一。6)欧美国家小微型燃气轮机产品成熟，性能好；与同容量柴油机分布式电源相比，小微型燃气轮机分布式电源还具有结构紧凑、运行可靠性高、低噪音、低振动等多方面优势。它是分布式电源的首选主机。2.4.3发展CCHP系统的优点(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3.向管理要能效同样设备，管理人员素质提高了，运行水平上去了，能效也上去了。3.1提高供热设备热效率(从降低锅炉各项热损失的方向想办法)1)降低漏风（即降低q2）一个误区2)采用强风后吹运行方式优点：•燃料及时着火•延长燃烧时间•加强喉口混合(即降低q4）3)从加强给水（导热油）品质监控和吹灰看节能•使受热面外壁灰污层和内壁水垢层(或析炭层)趋于零，大大提高传热系数，从而降低排烟温度。对于干净内外壁的受热面)/(11111122121cmkwKohhhsgsgsgbbhhh关于锅炉尾气的余热回收•散装工业锅炉已配有省煤器、空预器；•快装油气锅炉一般无省煤器、空预器，（三浦油炉例外）但排烟温度通常超过200-250ºC要考虑余热回收。以上要防止受热面低温腐蚀。•然气锅炉可考虑排烟中大量水蒸气汽化潜热的回收。但要防止受热面腐蚀。3.2节约用电•防止锅炉漏风，就能降低引风机电耗；•采用变频调节；•其他3.3辨别节能技术中的伪科学3.1依据:能量守恒与转换定律;物质不灭定律;传热学基本原理3.2伪科学例子:1)纳米油或纳米油添加剂可大大提高效率油的发热量是其分子中C和H完全燃烧放出来的，是可以从油的元素分析精确算出来的。现代燃烧器燃烬率已很高，额外热量哪里来！？纳米：1nm=10–9m,是原子或分子级大小，加入后能源使单位发热量提高吗？2)重油掺水燃烧可大大提高技术热效率200号重油,掺水率率8.1%,燃烧效率提高0.257%(已扣除0.484%水蒸气热损失)，不可能提高15%之类的谎言。掺水后有719mg/Nm3焦碳粒子被进一步燃烬,使烟尘排放