能源转换与利用.ppt
第二章 能源转换与利用,Chapter 2nd Energy conversion and utilization,能源转换利用的关系,热 能,电 能,机 械 能,风能,水能,化学能,核能,地热能,太阳能,一次能源(天然存在),二次能源,光电转换,燃料电池,光热,聚变,裂变,燃烧,水车,水轮机,风车,热机,电动机,发电机,90%,转换,直接利用,利用,生物质,能源转换利用的主要途径,热 机 种 类,发电（火力、核能）40%车辆发动机（内燃机）2535%轮船发动机 2535%航空发动机 2030%制冷空调(热泵）200%,能量利用率,heat engine,Energy efficiency,热力发电特点：投资较少、建期较短、布局和规模灵活、可以既发电又供热；消耗大量燃料、发电成本高、技术管理较复杂、对环境有污染。,第一节 蒸汽动力循环,最早大规模、当前最常用的发电技术和模式即蒸汽动力循环二十年前俗称的火力发电；现在多为热电联产。,水力发电特点：不消耗燃料、发电成本低、运行操作比较简单、对环境无污染；工程浩大、投资多、建期长、布局和规模受自然条件限制、发电能力在枯水季节将大幅度减小。原子能发电特点：核燃料热值比煤的热值高出250万倍，因而核燃料的消耗量少，运输量小，发电成本低。污染小；初投资大，用于放射性污染的防护费用高,中国电力工业发展概貌,光绪三十一年（1905年）镇江大照电灯有限公司全景,中国年发电量居世界的位次,历年电力装机和发电量的构成比（19812000）,现代汽轮机发电厂的组成及生产过程,现代热力发电厂的主要组成部分包括热力和电气两大部分，锅炉、汽轮机和发电机为发电厂的三大核心设备。,现代汽轮机发电厂的生产过程从能量的观点看，热力发电厂基本过程是：燃料的化学能 热能（锅炉）（汽轮机)机械能 电能（发电机）,第一节 蒸汽动力循环,朗肯循环是由以下热力过程组成的：12：过热蒸汽在汽轮机内的绝热膨胀作功过程23：乏汽在凝汽器中的定压放热过程 34：凝结水在给水泵中的绝热压缩过程4561：给水在省煤器、汽锅和过热器中定压吸热过程,火力发电装置基本特点,汽轮机,发电机,凝汽器,1、热源，冷源2、工质（水，蒸 汽）3、膨胀做功4、循环(加压、加热、膨胀做功、放热),鉴于热力发电厂的产品（电能或热能）是无法储存的，这就迫使发电厂只能是随产随销，并需做到产销之间的严格协调，否则就难以保证产品的质量。为此，要求发电厂的生产必须具有高度的安全性、可靠性和机动性，这些正是发电厂生产的主要特点。由于朗肯循环中平均吸热温度非常低，以致进一步提高其循环热效率受到很大的限制。为了大大提高蒸汽动力装置的热经济性，现代热力发电厂都不直接应用这种循环，而是广泛采用结构上复杂得多的回热循环和再热循环。,二、空气燃料比和过量空气系数,燃烧这是化学反应：可燃元素（如C/H/S)+O2根据化学方程式得到1kg可燃元素需要的氧气量称为理论氧气需要量。,燃料,空气,燃烧,热量和烟气,？,二、空气燃料比和过量空气系数,燃烧的化学反应方程式 1 32/12(2.66)1 32/32.56(0.998)1 32/4(7.94)理论空气需要量：按照氧气在空气中的比例计算：摩尔数O2:N2=0.21:0.79;质量分数：0.232:0.768由此计算得到的空气量称为理论空气量；实际上，燃料和空气间不易充分接触，需要过量的空气才能满足燃料的完全燃烧，即过量空气系数，良好的燃烧的条件：CATTM,(一）理论的空/燃比 A/F,理论空气需要量：燃料完全燃烧需要的最小空气量，可以摩尔数或质量单位一般以干空气计算，已知燃料中各元素含量，C/H/S燃烧消耗氧气，O参与生成水，因此理论空燃比的计算公式,对于气体或液体燃料，常用的元素分析仪不能测量元素含量，因此常用燃烧的方法进行当量折算，得到空燃比。,一、燃料燃烧所需的空气量,每kg碳完全燃烧需要1.866Nm3氧气，并生成1.866Nm3二氧化碳；每kg硫完全燃烧需要0.7Nm3氧气，并生成0.7Nm3二氧化硫；每kg氢完全燃烧需要5.55Nm3氧气，并生成11.1Nm3水蒸汽；,(一）理论的空/燃比 A/F,(一）空/燃比 A/F,理论空气需要量：以每kg/kmol燃料需要的空气量的体积来表示：,实际空/燃比：可以测量，可以调整流量。,过量空气系数,实际上所需空气量总比理论所需空气量大，因为燃烧技术、灰分、熔渣等因素，空气不能做到与燃料的理想混合；一般供给比理论空气量多，多出的这部分空气量称为过量空气（）；实际供给的空气量与理论空气量的比值称为空气过量系数,空气过量系数,燃烧1kg燃料所需的实际空气量由下式计算：,供热锅炉中的层燃炉，1.31.6之间；室燃炉：1.151.2;沸腾炉：1.051.1;柴油机：汽油机：低经验公式只是在粗略估计时可以用，且空气量计算结果为干空气量。,1880 1900 1920 1940 1960 1990 2000 2020,6050403020100,第一个发电厂,煤粉,pc,Rankine Barrier,超临界锅炉,热效率(%)HHV,USC,IGCC,PFBC,IGMCFC TC IGHTA,AGMCFC,Legend:PFBC增压流化床IGCC整体煤气化联合循环技术IGHTA-Integrated gasification-humid-air turbineIGMCFC整体煤气化燃料电池AGMCFC-先进煤气化联合循环技术USC-超超临界发电技术TC-Topping cycle,年,Vision 21,70,（一）向着大容量、高参数方向发展,（二）高度自动化方向发展,（三）管理现代化,第二节 煤气化技术,煤气化：在无氧或者缺氧条件下对煤升温干馏，煤不完全燃烧，生成CO为主的气化气，得到煤气。煤气可作为原料，用于化肥、化工、燃料等。因中国油气资源缺乏，目前进口的数十台燃气轮机，有的因缺少气源不能投运，有的即使在运行也由于原料价格太高靠政府补贴维持,这种情况在广东等地的燃油IGCC电厂非常普遍。因此为IGCC电厂寻找稳定价廉的原料是目前要解决的重大问题，而煤气化就是解决这一问题的最有效的出路,第二节 煤气化技术,水煤气水蒸汽为气化剂，既无氧或缺氧的气氛煤气的主要成分：CO、H2、CH4煤气发生炉形式：,干馏煤气化过程的物质和能量转变,煤层自上而下分为干燥带、干馏带、还原带、氧化带和灰层：生成的焦炭在还原带和氧化带进行气化反应：C+O2=CO2+392000 kJ/kmol 2C+O2=2CO+221000 kJ/kmol 2CO+O2=2CO2+570000 kJ/kmol CO2+C=2CO-173000kJ/kmol,理想的完全反应情况，合成总反应方程为：2C+O2+3.762N2=2CO+3.762N2其中C全部转化，煤气成分CO=34.7%;N2=65.3%,干馏煤气化过程的物质和能量转变,1kg纯碳的煤气产生率 2C+O2+3.762N2=2CO+3.762N2 U=(2+3.762)*22.4/2/12=5.37(Nm3/kg)煤气的发热量为 Qd=127230.3474415（kJ/Nm3)能量转换效率：44155.37/32650*100%=72.6%,二、水煤气的物质和能量转变,例题 2-3,同时考虑能量平衡后求解,三、煤气化技术的发展前景,为实现煤的清洁燃烧，进行煤的液化和气化以煤气化为核心的多联产系统在我国的发展尚处于第二代起步阶段，与发达国家相比有一代的差距。通过多年积累，我国煤基多联产技术已取得了长足进步，但要实现我国煤炭高效洁净利用技术的跨越式发展，还必须进一步加强这方面的研究与开发。煤气化的超洁净技术：例如开采时地下煤气化煤液化技术相关理论基础,国内煤气化化工工艺,1、TEXACO水煤浆气化：采用水煤浆进料、液态排渣、在气流床中加压气化，水煤浆与纯氧在高温高压下反应生成煤气。山东鲁南化肥厂引进，于1993年投产，后来又有若干厂使用 2、多喷嘴对置水煤浆气化：本项技术是“九五”期间由华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化学工程公司合作开发的。3、SHELL粉煤气化：湖北双环、中石化三家（湖北化肥、安庆石化、岳阳石化）和柳化等五套装置。4、西安热工院两段式干煤粉加压气化技术应用于华能集团“绿色煤电”项目5、HT-L气化技术 该技术由中国航天科技集团公司北京航天动力研究所研制，气化炉结构结合了SHELL和TEXACO的优点,
