供熱設備與節(jié)能技術學習講義

1、 供熱設備與節(jié)能技術1. 基本概念和基本原理 2. 供熱設備及節(jié)能技術3. 向管理要能效4. 總結 . 基本概念和基本原理.供熱設備.熱力學第一、二定律和傳熱學基本 公式.節(jié)能的基本分析方法熱平衡法.熱平衡法簡介.設備熱平衡以鍋爐熱平衡為例1.1 熱力學第一定律和熱力學第二定律自然界基本定律：能量守恒與轉換定律熱力學第一定律是能量守恒與轉換定律在熱現象上的應用，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：加給工質的熱量一部分用于增加工質的內能，余下的部分以作功方式傳遞給外界。 其中熱功當量w = 4.1868 kj/kgm熱力學第二定律：(有多種表述)熱不可能自發(fā)

2、地、不付代價地從低溫物體傳到另一個高溫物體。第二定律涉及能量傳遞的方向和深度的問題，是能量在質上的特性。所謂能的質量是指能的品位或能的可用性。能量在其傳遞或轉換過程中，品質是逐漸降低的，即能量貶值。熱力學第一、二定律分別揭示了能量在數量上的守恒性和在質量上的貶值性（不可逆）是其最重要兩個特性。1.2傳熱學基本公式 傳熱三種形式：輻射、對流和傳導傳熱學基本公式：Q = KHt = KH(tg-td)傳熱系數(以爐膛水冷壁管傳熱為例) 1.2 節(jié)能的基本分析方法 熱平衡法 熱平衡法是建立在熱力學第一定律基礎上的能量分析方法，主要考察系統(tǒng)熱量的平衡關系，揭示能在數量上的轉換和利用情況，從而確定系統(tǒng)的

3、能利用率或能效率（熱效率）。1.4 供熱設備熱平衡以鍋爐熱平衡為例 1.4 .1固體燃料的熱平衡方程式： Qydw =Q1 +Q2 +Q3 +Q4 +Q5 +Q6 (kJ/kg) (1-1) 熱平衡方程的百分比表示式： 100% = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6 (%) （1-2） 對于固體燃料， q2 和 q4高； 對于液體燃料， q2 高， q很小，q60 ； 對于氣體燃料， q2 高，q40， q60 ;1.4. 2.鍋爐熱效率(1)正平衡熱效率： = q1 = Q1 / Qydw100% （1-3）(2)反平衡熱效率：從式（1-2）可得 = Q1 / Qydw

4、 100% =1 -（ q2 + q3 + q4 + q5 + q6 ） （1-4）2.供熱設備及其節(jié)能技術2.1 工業(yè)鍋爐提高熱效率的有效途徑2.2 熱電聯(lián)產和集中供熱2.3分布式能源利用系統(tǒng)2.1 工業(yè)鍋爐提高熱效率的有效途徑2.1.1 燃煤鏈條鍋爐存在問題：因q2 和 q4高，熱效率低，一般；污染嚴重。措施: (燃燒無煙煤鏈條鍋爐)合理布置前后拱、及時著火、提高燃燼；合理配風、控制過量空氣系數、二次風；一二次風預熱；采用節(jié)能爐排片。（已制定行業(yè)標準）措施: (以燃燒無煙煤鏈條鍋爐為例)1) 合理布置前后拱（中拱）為了及時著火、提高燃燼率；降低q4 。2) 一次風預熱，并采用二次風加強混合

5、，降低q4 和q3 ；3) 合理配風、控制過量空氣系數；為了降低排煙熱損失q2 。4) 采用省煤器和空氣預熱器，降低排煙溫度，為了降低q2 。5) 用節(jié)能爐排片。（已制定行業(yè)標準）.1.2 循環(huán)流化床（CFB）鍋爐概述 35t/h 、75t/h 、220t/h (20t/h流化床鍋爐)130t/h、 600t/h；主要用于供熱和發(fā)電。CFB鍋爐優(yōu)勢 低溫燃燒，NOx低；可廉價脫硫；可燃燒無煙煤。存在問題： CFB鍋爐熱效率比煤粉爐低,大約80 - 88%；部件磨損比較嚴重。CFB鍋爐熱效率偏低的主要原因是飛灰含碳量高，大約達15 - 25%；而且飛灰量大（超過50%）。 降低飛灰可燃物措施：

6、1) 設計時選擇合適的流化氣速，爐膛高度，保 證煤顆粒在爐內獲得充足的停留時間； 2) 保持床層和爐膛950以上的高溫，以提高飛 灰燃盡率; 3) 要正確設計燃料破碎系統(tǒng),防止重復破碎，減 少飛灰份額; 4) 選擇個高效的分離器。5) 優(yōu)化返料器配風調節(jié)，防止料腿串風。2.1.3 油、氣鍋爐 傳統(tǒng)的油、氣爐為三回程濕背爐。對于油爐：由于先進的燃燒器和成熟的本體設計，柴油燃盡率可控制到理想程度(99%以上)，故油爐提高燃燒效率已沒有多少余地。但重油還有一些余地。 如果本體設計有缺陷，排煙溫度過高，可根據燃燒器背壓余量布置熱管省煤器。 對于氣爐：大量水蒸氣攜帶著可觀的汽化潛熱離開鍋爐。這部分熱量約

7、占天然氣低位發(fā)熱量的14 % 。它等于燃料高低位發(fā)熱量之差。 盡可能多地通過鍋爐受熱面或特殊換熱器把排煙中的水蒸氣凝結下來，回收其熱量，就能較大幅度地提高鍋爐熱效率。重油燃燒技術目的：提高霧化質量，降低q4和顆粒物排放霧化技術: 轉杯霧化和氣泡霧化降低黏度: 預熱或摻適量輕油摻水燃燒: 合理摻水率可降低q4和煙氣黑度 ( 見結構圖 )轉杯霧化技術6500/min 高速旋轉的轉杯 -離心力作用導致油膜越來越薄高壓(由高速旋轉葉片升壓至000mmH2O 以上，風速達100m/s)的一次風(風量的10%)把薄油膜粉碎至幾十微米顆粒。氣泡霧化噴嘴技術 氣泡霧化噴嘴技術是用氣泡作為霧化的動力，利用氣泡

8、的產生、運動、變形直到出口爆破來產非常細小的液霧。 主要特點為: （1）液霧顆粒粒度小(索太爾平均直徑SMD40m)，尺寸 分布均勻(尺寸分布指數N2)； （2）霧化效果基本不受燃油粘度大小的影響,粘度使用范圍 寬，為70E(即燃油需具有流動性)； （3）燃燒完全，不冒黑煙,燃燒效率達99.5%以上，燃燒產物 中污染物低于國家環(huán)保局規(guī)定的各項指標； （4）火焰長度、火焰錐角、火焰形狀及噴油量可按用戶要求 設 計； （5）燃燒器不結焦、不堵塞； （6）火焰剛性強，噴射速度高； （7）霧化效果不隨流量大小影響，流量調節(jié)比大，可達1:5天然氣是優(yōu)質低碳燃料a. 天然氣主要成分為CH4，氫與炭重量比大

9、約為1:3 ;b. 氫發(fā)熱量為125 .6MJ/kg，炭發(fā)熱量為33 .7 MJ/kg 氫的發(fā)熱量是炭發(fā)熱量的3 .7倍；結論： 在CH4中，氫對天然氣熱值的貢獻大于炭。 天然氣是低炭燃料。（見下表）例： 陜北天然氣成分 （）CH4 C2H6 C3H8 C4H10 H2S N2 95.9494 0.9075 0.1367 2.0062 0.0002 1.02.2.4 載熱體加熱爐優(yōu)勢: 高溫低壓，不用水處理；載熱體介質：液態(tài)（礦物油），氣相（苯和聯(lián)苯混合物），鹽；運行注意點：介質析碳，受熱面結焦（例）運行時要監(jiān)控盤管進出口壓差和溫度.此外，礦物油要過濾和補充2.2.5 電熱鍋爐電熱鍋爐應用場合

10、一般不提倡使用。因為電能是高品位能源，熱能轉換成電能的效率一般在40%以下，現在再由電熱鍋爐轉成熱能太不合算了。在特殊條件下使用：對環(huán)保要求嚴格；小容量和其他特定條件。由于LNG將引入廈門，今后采用燃氣鍋爐更合理。2.5 煤粉工業(yè)鍋爐概述 德國1999年已開發(fā)出類似技術，適用于超細干燥褐煤煤粉。我國已納入國家科委973計劃。類型（見下圖德國steimueller公司開發(fā)兩種爐型）應用場合：* 必須有超細優(yōu)質煤粉（高揮發(fā)份，低灰低硫）* 必須配有高效除塵設備（袋式或靜電）2.2 熱電聯(lián)產和集中供熱目的：提高能源利用率，達到CO2減排。國家規(guī)定5萬kW以下小型火電機組要關閉；但熱電聯(lián)產可以上（只要

11、總效率大于45%，熱電比大于1）。改造或新建可選擇CFB鍋爐 集中供熱：可選擇大容量高效率的鍋爐替代眾多低效高污染的小型鍋爐。在熱電聯(lián)產的建設中，從以燃煤為主的熱電廠向燃氣的熱、電、氣三聯(lián)供熱電廠發(fā)展；分布式熱電冷聯(lián)產也得到迅猛發(fā)展。熱、電、煤氣三聯(lián)供 （整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)）2.3 燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)利用了燃氣側高溫吸熱和蒸汽側低溫放熱的特點,使得聯(lián)合動力裝置的總效率比常規(guī)的高參數純蒸汽動力裝置的效率(最高約為40%)高得多。由于聯(lián)合循環(huán)熱效率達55%和天然氣中含有大約25% (重量比)的氫氣這兩個因素，使得天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠單位發(fā)電量所產生的溫室氣體CO2減小了50。 整體煤

12、氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC-Integrated Gasification Combined Cycle）發(fā)電系統(tǒng)，是將煤氣化技術和高效的聯(lián)合循環(huán)相結合的先進動力系統(tǒng)。它由兩大部分組 成，即煤的氣化與凈化部分和燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分。 2.4 分布式能源利用系統(tǒng)2.4 .1 概述2.4 .2 框圖2.4 .3 優(yōu)點2.4.1概述分布式能源系統(tǒng)(Distributed Energy System簡稱DES)，又稱第二代能源系統(tǒng)。當前，全世界都在推動該系統(tǒng)的建設。 第二代能源系統(tǒng)具有6個方面的主要特征：一是燃料的多元化；二是設備的小型化、微型化；三是冷熱電聯(lián)產化；四是網絡化；五是智能控制和信息化管

13、理；六是高標準的環(huán)保水平。2) 分布式能源系統(tǒng)是相對于傳統(tǒng)的集中式能量系統(tǒng)而言的。在這個系統(tǒng)中,集合了分布式供電、制冷、采暖、生活衛(wèi)生水以及其他形式的熱能于一體,將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模、分散式布置在用戶附近,可獨立地輸出電、熱和冷能的系統(tǒng),此系統(tǒng)中的主要部分就是分布式供電和冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)（ Cooling-heating-power Cogeneration，簡稱CCHP）。同時,應用最新的信息化和智能化技術管理和控制系統(tǒng),以實現系統(tǒng)化、智能化、經濟最優(yōu)的目的。3) “高參數、大機組、大電網”集中式供電將仍然長期是我國電力發(fā)展的主要方向，小微型分布式電源是集中式電源系統(tǒng)的重要補充。它增加了電網的質

14、量和可靠性。4)小型或微型燃氣輪機CCHP分布式電源總能效高；總投資（含輸變電設備等）與大型集中式電源相當或略低；燃機性能好，運行可靠，大修期長；具有很好的經濟性。 5) 天然氣是比輕柴油還要潔凈、低炭的優(yōu)質燃料，且可比價格與輕柴油相當，通過綜合梯級利用可獲得更高經濟效益。小型或微小型燃氣輪機CCHP分布式電源系統(tǒng)正是天然氣利用的最好模式之一。6) 歐美國家小微型燃氣輪機產品成熟，性能好；與同容量柴油機分布式電源相比，小微型燃氣輪機分布式電源還具有結構緊湊、運行可靠性高、低噪音、低振動等多方面優(yōu)勢。它是分布式電源的首選主機。2.4.3 發(fā)展CCHP系統(tǒng)的優(yōu)點(1)發(fā)展CCHP系統(tǒng)有助于提高能源

15、利用率 CCHP系統(tǒng)可大幅度提高能源利用率,其能 源綜合利用率可達到80%90%。 (2)發(fā)展CCHP系統(tǒng)有助于環(huán)境的保護 CCHP系統(tǒng)CO2排放僅為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的 30%50%。 (3)發(fā)展CCHP系統(tǒng)有助于緩解電力高峰負荷(4)發(fā)展CCHP系統(tǒng)可以提高供電安全性3. 向管理要能效同樣設備，管理人員素質提高了，運行水平上去了，能效也上去了。3.1 提高供熱設備熱效率(從降低鍋爐各項熱損失的方向想辦法)1) 降低漏風（即降低q2）一個誤區(qū)2) 采用強風后吹 運行方式優(yōu)點：燃料及時著火延長燃燒時間加強喉口混合(即降低q4）3) 從加強給水（導熱油）品質監(jiān)控和 吹灰看節(jié)能使受熱面外壁灰污層和內壁水

16、垢層(或析炭層)趨于零，大大提高傳熱系數，從而降低排煙溫度。 對于干凈內外壁的受熱面關于鍋爐尾氣的余熱回收散裝工業(yè)鍋爐已配有省煤器、空預器；快裝油氣鍋爐一般無省煤器、空預器，（三浦油爐例外）但排煙溫度通常超過200 -250C要考慮余熱回收。以上要防止受熱面低溫腐蝕。然氣鍋爐可考慮排煙中大量水蒸氣汽化潛熱的回收。但要防止受熱面腐蝕。3.2 節(jié)約用電防止鍋爐漏風，就能降低引風機電耗；采用變頻調節(jié)；其他3.3 辨別節(jié)能技術中的偽科學3.1 依據: 能量守恒與轉換定律; 物質不滅定律; 傳熱學基本原理3.2偽科學例子:1) 納米油或納米油添加劑可大大提高效率 油的發(fā)熱量是其分子中C和H完全燃燒放出來

17、的，是可以從油的元素分析精確算出來的?，F代燃燒器燃燼率已很高，額外熱量哪里來?。考{米：1nm = 10 9 m, 是原子或分子級大小，加入后能源使單位發(fā)熱量提高嗎？2) 重油摻水燃燒可大大提高技術熱效率 200號重油,摻水率率8.1%,燃燒效率提高0.257%(已扣除0.484%水蒸氣熱損失)，不可能提高15%之類的謊言。 摻水后有719mg/Nm3焦碳粒子被進一步燃燼,使煙塵排放改善。詳見文獻: 俞建洪,W.Smit, 劣質重油摻水燃燒工業(yè)性實驗研究,工業(yè)鍋爐,1998(3)3) 重油添加劑可大大提高熱效率添加劑就是低粘度輕油。重油添加少量低粘度輕油，可大大降低重油黏度( 見下圖 ) ，提高霧化質量。如前所述，可使燃燒效率略有提高，但不可能有大大提高。這是由于現在重油燃燒器及其重油預熱系統(tǒng)已經解決重油霧化問題。燃盡程度已經很高了。4. 總結4.1 節(jié)能的意義降低成本合理利用資源，可減緩能源