节能原理与技术

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1、 节能原理与技术 中国矿业大学中国矿业大学 机电学院动力工程系机电学院动力工程系 韩东太韩东太CUMT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，

2、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世界和我国能源消费及资源状况 2.能源的分类和利用能源的分类和利用 3.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4.可再生能源可再生能源5.我国的节能政源现况我国的节能政源现况6.总结（节能的意义）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

3、.2%)世界1642.89087.3185.8世界和我国能源剩余可开采量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我国GDP增长率随能耗变化趋势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

4、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世界主要经济国家能源利用率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(61017kWh/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

5、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工业锅炉提高热效率的有效途径3.2 余热利用余热利用3.3 热电联产和集中供热热电联产和集中供热3.4 燃气燃气蒸汽联合循环蒸汽联合循环3.5 清洁、高效新型燃料清洁、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 燃煤链条锅炉燃煤链条锅炉 存在问题：存在问题：因因q2 和和 q4高，热效率

6、低，一般；高，热效率低，一般；污染严重。污染严重。措施措施:(燃烧无烟煤链条锅炉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。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（循环流化床（CFB）锅炉）锅炉*存在问题：存在问题：锅炉热效率比煤粉炉低锅炉热效率比煤粉炉低,大约大约85%;主要原因是飞主要原因是飞灰含碳量高，大约达灰含碳量高，大约达25%。*措施：措施：设计时选择合适的流化气速，炉膛高度，保证煤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；颗粒在炉内获得

7、充足的停留时间；保持床层和炉膛保持床层和炉膛950以上的高温，以提高飞灰以上的高温，以提高飞灰燃尽率燃尽率;要正确设计燃料破碎系统要正确设计燃料破碎系统,减少飞灰份额减少飞灰份额;选择选择一个高效的分离器。一个高效的分离器。3.1.3 油、气锅炉油、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。但效率已没有多少余地。但重油重油还有余地。还有余地。如果本体设计有缺陷，排烟温度过高，可根据燃烧如果本体设计有缺陷，排烟温度过高，

8、可根据燃烧器背压余量布置热管省煤器。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。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这部分热量约占天然气低位发热量的14%。它等于燃料。它等于燃料高低位发热量之差。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，的水蒸气凝结下来，回收其热量，就能较大幅度地提高就能较大幅度地提高锅炉热效率锅炉热效率。重油燃烧技术重油燃烧技术目的：提高雾化质量，降低目的：提高雾化质量，降低q4和颗粒物排放和颗粒物排放

9、雾化技术雾化技术:转杯雾化和气泡雾化转杯雾化和气泡雾化 降低黏度降低黏度:预热或掺适量轻油预热或掺适量轻油 掺水燃烧掺水燃烧:合理掺水率可降低合理掺水率可降低q4和烟气黑度和烟气黑度 转杯雾化技术转杯雾化技术 6500/min 高速旋转的转杯高速旋转的转杯 -离心力作用导致油膜越来越薄离心力作用导致油膜越来越薄 高压高压(由高速旋转叶片升压至由高速旋转叶片升压至000mmH2O 以以上，风速达上，风速达100m/s)的一次风的一次风(风量的风量的10%)把把薄油膜粉碎至几十微米颗粒。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 气泡雾化喷嘴技术是用气泡作为雾化的动力，利用气泡 的

10、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MD40m)，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

11、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 余热资源余热资源3.2.2 余热利用方式余热利用方式3.2.3 热管和热泵技术热管和热泵技术3.2.4 热能的贮存系统热能的贮存系统3.2.1 余热资源余热资源 余热资源属于二次能源。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。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（按余热温度范围可分：高温余热（500）；中）；中温余热（温余热（250500）；低温余热（）；低温余热（250）3.2.2 余热利用方式余热利用方式 直接利用直接利用（1）预热空气或煤气）预热空气或煤气（2

12、）预热或干燥物料）预热或干燥物料（3）生产蒸汽或热水）生产蒸汽或热水（3）余热制冷，作为吸收式制冷机的热源）余热制冷，作为吸收式制冷机的热源 余热发电余热发电（1）利用余热锅炉产生蒸汽，按凝汽式机组循）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）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）采用低沸点工质回收中低温余热3.2.3 热管换热器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；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。传热

13、效率高；工作可靠等。余热回收中的应用举例：余热回收中的应用举例：（1）热管开水器）热管开水器（2）热管空气预热器或热管省煤器）热管空气预热器或热管省煤器 3.2.4 热能的贮存系统热能的贮存系统 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。中，然后利用降压闪蒸产生蒸汽。变压式蓄热器：工作压力变压式蓄热器：工作压力0.52.0MPa；工作温度；工作温度200300 针对许多工业部门（例如造纸、印染、食品、化工、针对许多工业部门（

14、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，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，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造成锅炉工况不稳，效率下降，则最适用与采用蓄热器。器。设置蓄热器后，其经济效益的大小是取决于用汽负荷设置蓄热器后，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。波动的幅度及频繁程度。3.2.5蓄冷技术蓄冷技术 意义：意义：移峰填谷，节电省钱移峰填谷，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，所所谓蓄冷就是让制冷机

15、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。足生产和生活用冷的需求。冰蓄冷：冰蓄冷：水蓄冷系统就是利用水的显热来储存冷量，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。度差。水蓄冷：水蓄冷：冰蓄冷就是将水制成冰，利用水的相变潜热

16、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，主要利用的是的水显热外，主要利用的是335kJ/kg的相变潜热。因的相变潜热。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。体积比水蓄冷的体积小得多。3.2.6 载热体加热炉载热体加热炉 优势优势:高温低压，不用水处高温低压，不用水处理；理；载热体介质：矿物油，盐；载热体介质：矿物油，盐；运行注意点：介质析碳，运行注意点：介质析碳，受热面结焦（例）受热面结焦（例）运行时运行时要监控

17、盘管进出口压差和要监控盘管进出口压差和温度温度.此外，矿物油要过此外，矿物油要过滤和补充滤和补充3.3 热电联产和集中供热目的：提高能源利用率，达到目的：提高能源利用率，达到CO2减排。减排。国家规定国家规定5万万kW以下小型火电机组要关闭；但热电联以下小型火电机组要关闭；但热电联产可以上（只要总效率大于产可以上（只要总效率大于45%，热电比大于，热电比大于1）。改）。改造或新建可选择造或新建可选择CFB锅炉锅炉 集中供热：可选择大容量高效率的锅炉替代众多低效集中供热：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。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在热电联

18、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。也得到迅猛发展。热、电、煤气三联供热、电、煤气三联供（整体煤气化联合循环）（整体煤气化联合循环）冷热电联产冷热电联产(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

19、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。冷热电联产冷热电联产(1)发展发展CCHP系统有助于提高能源利用率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系统可大幅度提高能源利用率,其能其能 源综合利用率可达到源综合利用率可达到80%90%。(2)发展发展CCHP系统有助于环境的保护系统有助于环境的保护 CCHP系统系统CO2排放仅为传统能源系统的排放仅为传统能源系统的 30%50%。(3)发展发展CCHP系统有助于缓解电力高峰负荷系统有助于缓解电力高峰负荷(4)发展发展CCHP系统可以提高供电安全性系统可以提高供电安全性冷热电联产冷热电联产3.4 燃气蒸汽联合循

20、环 燃气燃气蒸汽联合循环利用了燃气侧高温吸热和蒸汽侧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低温放热的特点,使得联合动力装置的总效率比常规的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高参数纯蒸汽动力装置的效率(最高约为最高约为40%)高得多。高得多。由于联合循环热效率达由于联合循环热效率达55%和天然气中含有大约和天然气中含有大约25%(重量比重量比)的氢气这两个因素，使得天然气联合循环发电的氢气这两个因素，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厂单位发电量所产生的温室气体CO2减小了减小了50。整体煤气化联合循环（整体煤气化联合循环（IGCC-Int

21、egrated Gasification Combined Cycle）发电系统，是将煤气化技术和高）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组成，即煤的气化与净化部分和燃气-蒸汽联合循环发蒸汽联合循环发电部分。电部分。3.5 清洁、高效新型燃料 清洁燃料型二甲醚清洁燃料型二甲醚 甲醇及醇醚燃料甲醇及醇醚燃料 二甲醚简称二甲醚简称DME(Dimethy Ether),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

22、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 2 2 合成，在使用时，又可利用发动机余热重整为2 2。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

23、4.1 太阳能太阳能4.2 地热能地热能4.3 海洋能海洋能4.4 沼气沼气4.1 太阳能及其利用方式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:光光热利用和光电利用热利用和光电利用。光热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直接利用温泉或热水井的热水供温室或供暖用用 建立地热电站转换成电能建立地热电站转换成电能 （1）利用干燥的过

24、热蒸汽和高温水发电）利用干燥的过热蒸汽和高温水发电 （2）利用中等温度（）利用中等温度（100）水通过双流体）水通过双流体循环发电设备发电循环发电设备发电 4.3 海洋能海洋能 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，其能量与温差的大小和水量成正比。潮汐、潮流，海流、波浪能潮汐、潮流，海流、波浪能都是机械能。5、我国的节能政策现况党中央、国务院高度重视节能工作：党中央、国务院高度重视节能工作：胡锦涛

25、总书记、温家宝总理多次就节约能源资源工作胡锦涛总书记、温家宝总理多次就节约能源资源工作做出重要指示做出重要指示。国家对节能工作的定位：国家对节能工作的定位：党的十六届五中全会提出把节约资源作为基本国策。党的十六届五中全会提出把节约资源作为基本国策。确定国家节能指标：确定国家节能指标：“十一五十一五”规划规划纲要纲要把把“十一五十一五”时期单位时期单位GDP能耗降低能耗降低20左右作为约束性指标。左右作为约束性指标。1.我国的节能政策政府节能政策建立节能激励政策实施严格节能管理制度高耗能产品淘汰制度能效标识管理制度税收政策政府采购政策开展节能工程及活动资源节约活动；节能产品认证；绿色照明工程；节

26、能周活动；合同能源管理；强制性能效标准检查制度高耗能行业准入制度5、我国的节能政策现况5、我国节能政策现况2.国家“十一五”节能降耗十大任务（国家发改委主任在今年节能工作会议上的讲话）1)落实节能目标责任制和评价考核体系2)大力推进结构调整3)着力抓好中点领域节能4)抓好重点耗能企业节能管理5)完善节能保障机制6)加强节能法制建设7)强化节能管理队伍建设和基本工作8)推动政府机构带头节能9)加大节能宣传、教育和培训力度10)切实加强节能工作的组织领导6.总结6.1 节能的意义节能的意义 降低成本降低成本 合理利用资源，可减缓能源耗竭速度合理利用资源，可减缓能源耗竭速度 降低污染物排放，利于环境保护降低污染物排放，利于环境保护 降低温室气体排放降低温室气体排放我国我国 CO2排放的严峻形势排放的严峻形势 化石燃料（煤，石油和天然气）的消费是CO2最主要的排放源，它占我国CO2排放总量的95%95%。1990年排放量为20.5320.53亿吨亿吨，占世界10%10%。我国经济快速发展，2010年将是1990年的5倍，那时要消费2020亿吨亿吨标准煤，即使采取比80年代更大的节能力度，CO2排放量也将达47.2247.22亿吨亿吨。2010至2020年期间我国CO2排放总量超过美国，成为世界第一排放大国。