节能技术(重点)

作者:瑞博官网 发布时间:2020-08-08 10:47

  节能技术(重点)_冶金/矿山/地质_工程科技_专业资料。节能技术 第一章 热能、电能利用节能技术:第一、锅炉节能技术 一、 (1)加强燃料管理与实现动力配煤,节约用煤:动力配煤根据用户对煤质的特定要求,将不同种类、不同性质的 若干种煤按照一定的比例,经过筛

  节能技术 第一章 热能、电能利用节能技术:第一、锅炉节能技术 一、 (1)加强燃料管理与实现动力配煤,节约用煤:动力配煤根据用户对煤质的特定要求,将不同种类、不同性质的 若干种煤按照一定的比例,经过筛选、破碎掺配加工成混煤,使其成为认为加工的“新煤种” 。这种“新煤种”的化学 组成、物理特性和燃煤特性与各原单一煤种均有不同,合理配比可以达到改善性质、特性互补、劣煤优用、有利燃烧、 减少污染物排放的目的。 (2)加强水质管理,减少结垢和排污:锅炉水处理会减少锅炉结垢,降低排污热损失。 二、 (1)锅炉节能的目的:主要是提高锅炉热效率,降低燃料消耗,减少热损失和污染物。 (2)锅炉常用分类方法: 不同的分类方法可以将锅炉分成不同的类别,各种分类方法分成的锅炉类别不能混淆。按使用燃料种类不同分为燃煤 锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉等;按蒸发受热面中工质流动的方式可分为自然循环锅炉、强制循环锅炉和直流锅炉;按 主蒸汽压力高低可分为低压锅炉、中压锅炉、高压锅炉、超高压锅炉、亚临界压力锅炉、超临界压力锅炉和超超临界 压力锅炉等;按燃烧方式不同可分为层燃炉、室燃炉、流化床炉和旋风炉。 (3)加强运行调整,减少各项热损失 锅炉运行时存在着种种热损失,找出引起热损失的原因,提出减少各项热损失的措施,就可以提高锅炉热效率,以节 约能源。锅炉输入热力主要来源于燃料燃烧放出的热量。为了便于分析,将燃料在锅炉内燃烧输入的热量分为两部分, 一部分为锅炉的有效利用热,其余的即为各项热损失。锅炉的热效率表示锅炉设备有效利用热量 Q1 与输入热量 Qr 之 比的百分数,即:η = Q1/Qr×100%。为了确定锅炉的热效率,就需要建立在正常运行工况下,锅炉热量的收支平衡关 系,通常称为锅炉的热平衡。在锅炉机组稳定运行的热力状态下,1Kg 燃料带入锅炉内的热量、锅炉的有效利用热量 和热损失之间有如下热平衡关系。Qr=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6 KJ/Kg 将上式两边都除以 Qr,则锅炉的热平衡可以用占 输入热量的百分比来比表示。100%=q1+q2+q3+q4+q5+q6 显然,要提高锅炉热效率,必须设法降低各项热损失。 1、减少排烟热损失 q2.排烟热损失时指高温烟气排入大气而损失的热量。排烟损失由尾部排烟温度、烟气量与漏入系 统内的冷空气量综合决定的。因此,降低排烟损失,就要减少炉膛的空气系数和各烟道的漏风量以及降低排烟温度。 2、减少气体未完全燃烧热损失 q3。对燃煤锅炉而言,这项损失主要取决于排烟处的一氧化碳含量和空气系数。 3、减少固体未完全燃烧热损失 q4。未燃尽而残留的固定碳常存在于灰渣、飞灰与落煤之中。 4、减少散热损失 q5.散热损失大小取决于散热表面的面积、温度和环境条件。因此,散热损失与锅炉容量有关,也与 锅炉有无省煤器、空气预热器等受热面有关。锅炉容量越大,其与外界接触的面积相对地变小,散热损失减小。通常 小型锅炉的散热损失较大,有尾部受热面(如省煤器、空气预热器)的锅炉散热损失较大。 5、减少灰渣物理热损失 q6。灰渣物理热损失是指炉渣所带走的热损失。通常层燃炉的灰渣量较大而且温度高,需要 考虑灰渣物理热损失。 (4)燃煤锅炉的两个主要节能措施 1、运行调整。运行调整主要是降低排烟损失和合理配风。锅炉降低排烟损失,合 理配风的目标,就是要根据负荷要求,恰当地供给燃料量,不断寻求并力争控制最佳空气系数,达到完全燃烧。 在理论上达到完全燃烧所需要的空气量,称为理论空气量。但在实际条件下,根据燃料品种、燃烧方式及控制技术的 优劣,往往需要多供给一些空气量,称为实际空气量。实际空气量与理论空气量之比,称为空气系数。 但是最佳空气系数无法从理论上进行准确计算,只能依靠试验研究和实践经验来优选。通常对于气体燃料由于它 能与助燃空气达到良好的混合,较小的空气系数便可以实现完全燃烧;对于固体燃料,因为它与助燃空气在表面接触 燃烧,不能直接进入内部混合,空气系数相对较大;对于液体燃料,一般采用雾化燃烧,雾化微粒与空气混合比固体 燃料好,但比气体燃料差,空气系数介于固体和气体燃料之间。即使同一种燃料,由于可燃成分、燃烧方式与控制技 术的差异,空气系数也不完全相同。2、节能改造。节能改造主要包括六条措施:給煤装置改造;炉拱改造;燃烧系统 改造;层燃锅炉改造成循环流化床锅炉;控制系统改造;采用节能新设备。 第二、工业窑炉节能技术 一、在工业生产中,利用燃料燃烧产生的热量,或将电能转化为热能,从而实现对工件或物料进行熔炼、加热、烘干、 烧结、裂解和蒸馏等各种加工工艺所用的热工设备,称为工业窑炉。工业窑炉主要由炉衬、炉架、供热装置(如燃烧 装置、电加热元件) 、预热器、炉前管道、排烟系统、炉用机械等部分组成。 二、 (一)工业窑炉的分类:工业窑炉的种类繁多,用途各异。实际应用中一般是按其某些主要特征来进行分类的。按 工艺特点分为加热炉和熔炼炉;按所使用能源种类分为燃料炉和电加热炉;按工作温度高低分为高温炉、中温炉、低 温炉;按热工操作制度分为连续式工作窑炉和间歇式工作窑炉;按炉型特点分为室燃炉、步进炉、竖炉等;按工作制 度分为辐射式工作制度窑炉、对流式工作制度窑炉和层式工作制度窑炉。 (二)工业窑炉节能改造的主要内容七个方面:热源改造、燃烧系统改造、窑炉结构改造、窑炉保温改造、烟气余热 回收利用改造、窑炉密封改造和控制系统节能改造。 (三)工业窑炉节能改造的主要措施:1、提高燃烧效率。主要包括采用低空气系数的燃烧方式、富氧燃烧和提高助燃 空气的温度等。2、减少炉体的散热损失。主要包括采用轻质隔热和耐火纤维等保温隔热性能良好的保温材料、减少窑 炉的表面积和尽量避免窑炉的间歇运行。3、减少水冷件热损失。主要包括少用或不用水冷构件减少热损失、对必须设 置的炉内水冷构件进行隔热和采用汽化冷却来回收水冷件的热损失。4、采用高辐射陶瓷涂料。5、采用先进的炉型和 工艺。其中最有代表性的是水泥预分解窑、干法熄焦工艺、明焰裸烧方法以及低温快烧技术。 (四)工业窑炉的主要节能技术应用实例 1、富氧燃烧技术。以氧含量高于 21%的富氧空气或纯氧代替空气作为助燃 气体的一种高效强化燃烧技术,其降低了烟气生产量,燃烧产物中的 NOx 含量降低,采用富氧燃烧可提高融化质量, 特别是在熔窑化料区由明显效果,可减轻对熔窑的烧损,节能降耗;2、蓄热式高温燃烧技术。一种全新的燃烧技术, 它将回收烟气余热与高效燃烧、降低 NO 排放等技术有机结合,实现了余热回收和降低 NOx 排放量的双重目的; 3、余热发电技术。一项很有价值和发展前景的节能技术,具有节能降耗和有利于保护环境的双重效果; 4、高炉煤气余压发电技术。主要包括煤气净化和透平发电两方面的关键工艺技术。 第三:保温保冷技术 一、 (一)我国保温保冷技术及保温材料使用现状:近年来我国保温技术水平已有很大提高,保温材料的品种不断增加, 适应温度范围从-200—1000℃。但品种规格系列不够齐全,应用技术与发达国家差距较大,整体保温节能效益较发达 国家还有相当大的差距。目前我国使用的保温材料主要有泡沫型保温材料、复合硅酸盐保温材料、硅酸钙绝热制品保 温材料、纤维质保温材料等几大类型。工业设备及管道的绝热主要采用岩棉、矿棉、玻璃棉、复合硅酸盐涂料、聚氨 酯、泡沫玻璃、橡塑制品等。高温工业窑炉的隔热保温,主要采用硅酸铝纤维、硅酸钙等材料。 (二)保温结构的基本要求:保温结构在保证热损失不超过标准热损失值的前提下,应有足够的机械强度,不仅要考 虑管道或设备振动情况,还要避免保温结构所产生的应力传到管道或设备上。结构简单,减少材料的消耗量,材料应 尽可能就地取材、价格便宜。要有良好的保护层,施工简便,扬尘率、损耗率小等,维护检修方便,外表应整齐美观。 二、 (一)保温材料分类及使用范围:保温材料一般采用轻质、疏松、多孔的纤维状材料。特点有不同的分类方法有三 种:1、按成分不同保温材料可分为有机材料和无机材料。2、按保温材料使用温度限度又可分为高温用、中温用和低 温用保温材料。3、按照施工方法不同,可分为湿抹式、填充式、绑扎式、包裹及缠绕式施工用保温材料。 热力设备及管道保温用的材料多为无机保温材料,低温保冷工程多用有机保温材料;高温用保温材料,主要用于 各种工业炉耐火砖间的填充料以及其他场所;中温用保温材料是热力设备及管道常用的保温材料;低温用保温材料主 要用于温度在 100℃以下的保冷工程。另外,保温材料还可以根据按体积密度分为轻质和超轻质材料。 (二)常用保温结构及使用范围 七个方面:涂抹法保温,便于接岔施工和填灌孔洞,不适用于露天或潮湿地点;绑扎法保温,是广泛采用的保温 结构型式;装配式保温,保温主层材料及外表保护层均由厂家供给定型制品,现场施工只需按规格就位,并加以固定; 填充法保温,主要用于阀门法兰和膨胀节部位的可卸式保温结构等;粘贴法保温,特别适合耐火纤维毡等施工;喷涂 结构保温,用专用设备将有机泡沫绝热材料或某些无机绝热材料喷射到绝热面,形成喷涂绝热结构;金属反射式保温, 主要用于降低辐射与对流传热的保温结构,特别适合于震动和高温工况。 (三)典型保温材料及性能:1、硅酸铝质耐火纤维。俗称陶瓷纤维,是以甲级高岭土为原料制成的保温材料。陶瓷纤 维可以根据实际需要加工成各种规格的纤维制品,广泛应用于各种工业炉窑、电加热炉、高温管道和设备上作为隔热、 隔音和防酸材料。我国硅酸铝质纤维产品大致有硅酸铝耐火纤维棉、硅酸铝耐火纤维毡、硅酸铝纤维毡、板、异形制 品和硅酸铝纤维湿毡等四种。工业锅炉、热处理炉等广泛采用陶瓷纤维作保温材料。 2、岩棉。它的容量轻,导热系数较小,具有良好的保温、防火和吸声性能。在管道保温中,保温性能比传统保温材料 高 1.5—2.5 倍。作窑炉衬时,导热系数低于耐火纤维。用于建筑保温可节能 40%。市场价格便宜,只为普通硅酸铝耐 火纤维的 20%—25%。但岩棉保温材料防水性能差,对人的皮肤有刺激,不适用于冷冻、空调管道和设备的保温。 3、离心玻璃棉。是一种人造无机纤维。这种材料保温性能良好,不燃烧,抗化学腐蚀性能较好,抗老化能力强,吸声 性能好。适用于各种管道、设备保温。4、膨胀珍珠岩。膨胀珍珠岩是一种高效能保温材料,导热系数低,耐高温,耐 酸碱,生产简便。5、硬质聚氨酯泡沫塑料。硬质聚氨酯泡沫塑料的保温性能极好,工艺性极佳、强度高,适用于各种 管道、储罐等设备的保温。广泛用于冰箱、冰柜、冷库、冷藏车等的绝热材料。硬质聚氨酯泡沫塑料成型工艺比较简 单,可预制或现场发泡。但这种材料成本较高。6、聚苯乙烯泡沫塑料(简称 EPS) 。这种材料具有导热系数小、吸水率 低、隔音性好、机械强度和耐冲击性能高等特点,而且尺寸精度高,结构均匀。但这种材料不耐高温,故适用于 70℃ 以下的管道、设备保温。7、复合硅酸盐保温材料。这种保温材料具有可塑性强、导热系数低、容量轻、粘接性强、防 水、耐酸碱、不燃、施工方便、不污染环境等特点,是新型优质保温绝热材料。使用时不需包扎捆绑,尤其便于异型 设备内(如阀门、泵体)的保温。另外,由于粘接性好,干燥后呈网状结构,不开裂、不粉化,可用于运、转、振动 的设备保温。8、轻质镁铝辐射绝热材料。特点是提高改善对辐射热屏蔽能力,屏蔽热辐射的能力高达 50%—60%,从而 降低常温与高温导热系数,并使导热系数与温度的线性关系斜率较小。这种保温材料导热系数小,保温后的表面温度 低,耐高温。可制成涂料、软毡、管等,特别适合于高温介质管道的保温。 真空保温材料和纳米孔硅保温材料是正在研究的新型保温材料。 第四: 蓄冷蓄热技术 一、 (一)蓄冷蓄热系统的基本原理:蓄冷蓄热指把冷量或者热量通过一定的方式储存起来,在需要的时候再释放出来 加以利用,蓄冷(热)方式主要有显热蓄冷(热)和潜热蓄冷(热) 。前者指利用物质具有比热容,其内能随着温度降 低(升高)从而储存冷(热)量,当前主要的储存介质有水、岩石、陶瓷等蓄冷(热)介质。潜热蓄冷(热)主要是 利用物质发生相变时内能的变化而储存冷(热)量。与显热蓄冷(热)相比,由于相变潜热远远大于物质比热容,因 而体积相对较小,且温度变化较小。 (二)水蓄冷属于显热蓄冷:每 1Kg 水温度升高或降低 1℃会吸收或者放出 4.2KJ 的热量。 (三) 冰蓄冷则属于潜热蓄冷, 利用冰发生相变时的溶解/凝固潜热来储存热量, 每 1Kg 冰的潜热为 334KJ/Kg℃, 约为水的比热的 80 倍。 (四)蒸汽蓄热器:安装于锅炉与用汽设备之间的节能设备。蓄热器为一密闭压力容器,90%的 空间充有饱和热水,其余水面以上空间为蒸汽;水空间内设有充热装置。蒸汽蓄热器的蓄热和放热是通过内部饱和热 水间接实现的。将蒸汽通入压力容器,使水的温度和压力升高,称为具有一定压力的饱和水;当容器内压力下降时, 饱和水成为过热水自蒸发产生蒸汽,通过管路输送到供汽系统中。 二、 (一)蓄冷蓄热方式:主要采用水蓄冷、冰蓄冷、蒸汽蓄热等方式。 (二)水蓄冷按照蓄冷灌的形式:1、自然分层水蓄冷:是一种结构简单、蓄冷效率较高、经济效益较好的蓄冷方法。 2、迷宫式蓄冷:装置太复杂。3、多槽/空槽式水蓄冷系统:如蓄冷量较大,布置立式蓄冷灌有困难时,优先选用多槽 式蓄冷装置。4、隔膜式蓄冷:装置可靠性不够高。 由于迷宫式蓄冷装置太复杂,隔膜式蓄冷装置可靠性不够高,一 般情况下优先选用温度自然分层式与多槽式蓄冷装置,其中应用最广泛的是自然分成水蓄冷。 (三)冰蓄冷方式 1、静态冰蓄冷。主要分为密封件式和冰盘管式。密封件式传热效果好,制冰融冰速度快,效率高; 冰盘管式制冷剂用量大,盘管焊接质量要求高,易发生制冷剂泄漏和金属盘管腐蚀。2、动态冰蓄冷。根据制取冰晶的 不同方式分为刮削式、过冷式和真空冷冻式。目前较成熟的动态冰蓄冷是刮削式,但刮削部分易磨损,而且加工精度 要求高,造价贵,所以预计未来过冷式将占据冰蓄冷主要市场。与水蓄冷系统相比,冰蓄冷需要的制冷温度低,因而 需要配置双工况制冷机组,而且制冰工况下机组效率低,目前静态冰蓄冷应用较广。 (四)蒸汽蓄热器:1、用途。蒸汽蓄热器是安装于锅炉与用汽设备之间的节能设备,用以平衡用汽设备的波动负荷; 可广泛应用于石油、化工、金属冶炼、制浆造纸、酿酒、制药、食品加工等行业及公共建筑,以变压式蒸汽蓄热器应 用最为广泛。2、原理。蓄热器为一密闭压力容器,90%的空间充有饱和热水,其余水面以上空间为蒸汽;水空间内设 有充热装置。蒸汽蓄热器的蓄热和放热是通过内部饱和热水间接实现的。对于负荷波动较大的供汽系统,可平衡对波 动负荷的供汽,使锅炉负荷稳定。用在余热利用系统,能有效地回收热量。节能效果显著,一般可节约燃料 3%—20%。 3、适用范围。具体来说,适用于下列四种情况:一是用汽负荷波动较大的供热系统;二是瞬时耗气量极大的供热系统; 三是汽源间断供汽的或流量波动的供热系统;四是需要蓄存蒸汽供随时需要的场合。 第五:燃烧节能技术 一、 (一)其他燃烧技术:1、触媒燃烧,氢、碳等形成的可燃性气体在大气中燃烧时,变成二氧化碳、水蒸气及其他 气体。如果使用触媒燃烧,就可能在着火温度以下燃烧,发生火焰。从节能方面考虑,触媒燃烧的特征是:一是能用 理论空气量进行燃烧;二是发热量只有 836KJ/Nm3 左右的燃料也可用作补助燃料。 2、乳化燃烧,乳化燃料燃烧是个复杂的过程,在燃料燃烧过程中存在的“微爆”现象和“水煤气反应” 。 “微爆”是由 于油的沸点比水高,受热后水总是先达到沸点而蒸发或沸腾。当油滴中的压力超过油的表面张力及环境压力之和时, 水蒸气将冲破油膜的阻力使油滴发生爆炸,爆炸后的细小油滴与空气更加充分混合,油液燃烧的更完全,达到节能之 效果。 “水煤气反应”是指在高温条件下,部分水分子与未完全燃烧的炽热的炭粒发生水煤气反应,形成可燃性气体。 从而减少了火焰中的炭粒,提高了油的燃烧程度,改善了燃烧状况,提高了油的燃烧效率。在缺氧条件下,燃料中由 于高温裂解产生的碳粒子,能与水蒸气反应生成 CO 和 H2,使碳粒子能充分燃烧,提高了燃烧率,降低了排烟中的烟尘 含量,另一方面,由于乳化水的蒸发作用,均衡了燃烧时的温度场,从而抑制了 NOx 的形成。通过上述的微爆及水煤 气反应,乳化油燃料可获得减轻大气污染和节约能源的双重效果。3、流动床燃烧,流动床燃烧是指把煤与石灰石加入 燃烧室床层上,在通过布置在炉底的布风板送出的高速气流作用下,形成流态化翻滚的悬浮层,进行流化燃烧,同时 完成脱硫,这种燃烧技术叫流化床燃烧技术。流化床燃烧适用于燃煤锅炉、废弃物焚烧、煤的气化等领域。它具有燃 料适应性广、燃烧效率高、氮氧化物排放低、低成本石灰石炉内脱硫等优点。 二、 (一)分层燃烧原理及特点:燃煤锅炉分层燃烧是用机械筛分的办法,将原煤在由給煤滚筒出口落向炉排时,先经 过筛分装置,使不同粒度的煤在经过筛子落向炉排时,造成时间差与位置差,结合炉排的转动便形成了上小下大、层 次分明且疏松的煤层结构。分层燃烧特点有减少锅炉漏煤量、煤层厚度平整均匀和提高燃烧效率。分层燃烧技术主要 应用于燃煤工业锅炉,是针对链条炉排存在缺陷而发明的一项改进技术。 (二)富氧燃烧原理及特点通过提高助燃空气中氧气浓度所完成的燃烧过程称为富氧燃烧。有三个特点:富氧燃烧可 以提高燃烧温度;降低燃料的着火温度,促进完全燃烧;降低空气系数,减少排烟量。 (三)蓄热式燃烧,蓄热式燃烧通过蓄热室回收烟气的余热来助燃空气或预热煤气,降低排烟温度实现节能。关键设 备有蓄热体、换向阀和烧嘴。 (四)燃煤添加化学助燃剂燃烧,依据煤炭燃烧化学反应原理,在燃煤中加入少量化学助 燃剂,通过催化、活化等作用,促进氧化及离子交换的作用,改善煤炭燃烧性能,可以提高燃烧效率。主要应用效果 是:降低煤炭的着火温度;改善煤炭的燃烧特性。 (五)磁化燃烧节能技术,燃油磁化燃烧技术是在液体燃料进入燃烧 室或炉膛燃烧之前,利用磁化装置对液体燃料进行磁化。当燃油流过一定场型和场强的磁场时,由于燃油分子受到外 磁矩的作用,使喷出的油滴更加细小,增大了油与空气的接触面积,有利于与空气的充分混合,并且被磁化后的燃料 分子与氧分子结合更加充分,使液体燃料的燃烧效率提高。 (六)脉冲燃烧,脉冲燃烧本质是一种燃烧控制方式。脉冲 燃烧控制采用的是间断燃烧的方式,使用脉宽调制技术,通过调节燃烧时间的占空比实现窑炉、加热炉等工业炉的温 度控制。脉冲燃烧控制的主要优点有:传热效率高;炉内温度场的均匀性较高;无需在线调整,即可实现燃烧气氛的 精确控制;系统简单可靠,造价低;可以减少 NOx 的生成。缺点是:调节比小;容易产生噪音;启动必须使用风机; 需要设置燃烧稳定后自动停止风机的装置。 (七)低氧燃烧,高温低氧燃烧技术与传统燃烧技术不同之处是充分利用加 热炉的排烟余热将助燃空气加热到 1000℃甚至更高,使加热炉排烟温度降低到 200℃以下,从而提高燃料的热利用率。 第六:换热节能技术 一、 (一)根据冷热流体热量交换的原理和方式分为三类:1、间壁式换热器。指两种不同温度的流体分别在由传热面 相隔的空间内流动,通过两侧流体与壁面的对流换热及壁面的导热而实现热量传递的换热器,是工程应用中最为广泛 的一类换热器。2、混合式换热器。通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器,又称接触式换热器。由 于冷热流体混合换热后必须及时分离,这类换热器尤其适合于气、液流体之间的换热。3、蓄热式换热器。利用冷、热 流体交替流经蓄热室中的蓄热体表面,从而进行热量交换的换热器,主要用于回收和利用高温废气的热量,适合对介 质混合要求比较低的场合。 (二)换热器设计计算的主要内容:主要有四个:热计算;结构计算;流动阻力计算;强度计算。 二、 (一)换热器的热计算,1、热计算的分类。换热器的热计算可分为设计计算和校核计算两类。 (1)设计计算是指 设计一个新的换热器,以确定换热器所需的换热面积。由于同样的换热面积可以采用不同的结构尺寸,而不同结构尺 寸也会影响换热器的热计算过程。因此,设计性热计算通常要与结构计算交叉进行。 (2)校核性热计算是对已有或已 选定了换热面积的换热器,在非设计工况条件下核算其是否能达到规定的热负荷。 2、热计算的参数和基本关系式。在换热器的热计算中,最主要的是要确定传热量和流体的进出口温度、传热系数、传 热面积等参数间的关系。无论是换热器的设计性热计算还是校核性热计算,其计算的基本关系式都是热平衡方程式和 传热方程式。 3、热计算方法。换热器热计算的方法主要有平均温差法和ε —NTU 法两类。平均温差法是直接利用换热器的传热方程 和冷热流体的能力平衡进行热计算的方法;由ε 和传热单元数 NTU 的定义可知,根据换热器两类热计算的任务可知, 传热有效性—传热单元数的设计性热计算是已知ε 求 NTU,而校核性热计算则是由 NTU 求ε 。 4、流动方式的选择。为了满足不同工艺过程换热的需要,换热器中冷热流体流动的布置方式很多。换热器中流体的相 对流向一般有顺流、逆流和交叉流。在相同的进、出口温度条件下,不同流动型式平均温差的大小具有下述特点:一 是逆流的平均温差最大;二是顺流的平均温差最小;三是交叉流适中。因此,换热器应当尽量布置成逆流,而尽可能 避免作顺流布置。5、换热器的设计和选型。换热器的设计或选型应满足以下基本要求:合理地实现所规定的工艺条件; 结构安全可靠;便于制造、安装、操作和维修;经济上合理。换热器设计的基本步骤如下:首先,估算传热面积,初 选换热器型号;其次,计算管程和壳程流体的流动阻力;第三,计算传热系数,校核传热面积。 (二)强化传热技术 1、强化传热原理。根据传热学原理,换热器的传热量 Q 可用下述的传热方程式计算:Q=KA△tm 强化传热的途径有三条: (1)增大换热面积,是一种常用的增加传热量的有效方法;采用各种形状的肋片扩展表面管、 螺纹管等是增大传热面积的最有效方法。需要注意的是,为了达到强化传热的效果,肋片要加在换热系数小的一侧, 否则会达不到强化传热的效果。采用板式和板翅式换热器等紧凑式换热器,在同样的体积下可以显著增加了其传热量。 (2)提高传热系数 K,由于传热系数 K 主要取决于管子内外对流换热系数的大小,为了增大传热系数 K 就需要增加 对流换热系数α c 和α h,特别当α c 和α h 相差较大时,应该增加二者中较小的一个最有效;为了提高对流换热系数, 应该根据对流换热的特点,采用不同的强化传热方法。提高对流传热系数的主要途径有:提高流体速度场和温度场的 均匀性,改变速度矢量和热流矢量的夹角,使二者的方向尽量一致。 (3)加大对数平均温差△tm( (公式 50) 2、强化传热技术分类(1)管程的强化传热技术。国内外已对管壳式换热器传热元件的强化传热进行了大量研究,先 后研制出多种强化传热管,主要是采用强化传热管,如螺旋槽管、横纹槽管、波纹管、缩放管、菱形翅片管、花瓣形 翅片管、T 型翅片管、表面多孔管等; (2)壳程的强化传热技术。途径主要有两种:一种是改变管子外形或在管外加翅 片,即通过管子形状和表面特性的改变来强化传热;另一种是改变壳程管间支撑物结构,以减少或消除壳程介质流动 与传热的滞留死区,使传热面积得到充分的利用。 第七:余热余压利用技术 一、 (一)余热的分类,根据温度不同,余热资源一般可分为三个范围:1、高于 650℃为高温余热,如工业窑炉、冶炼 高炉的废气、炉渣的余热等。2、介于 200℃—650℃为中温余热,如一般立式、卧式烟火管锅炉的烟气余热。3、温度 低于 200℃的烟气和低于 100℃液体为低温余热,如一般机械化燃烧锅炉的烟气、工厂企业中的乏水、乏汽等的余热。 二、 (一)高温余热的利用,高温余热的利用途径主要有余热发电、空气预热、进料预热、预热锅炉给水等。 1、余热锅炉。利用余热锅炉回收高温烟气的余热用来产生蒸汽是最经济、最有效地方法。2、加装换热器。利用高温 废气的余热加热空气和进料,不仅可以减少燃料的消耗,而且燃料与空气的预热提高了燃烧温度和炉膛温度,可以提 高炉子的产量。对于低热值燃料,效果更为明显。例如热处理炉的排烟温度一般为 850℃,在它的尾部烟道安装辐射换 热器用来预热空气。一般预热空气的温度可达排烟温度的 50%,节约能源 20%左右。3、高温固体余热的利用。对于高 温固体余热的回收比较困难。对于颗粒较小的高温固体,近来多采用流态化过程来回收余热;对大块的高温固体,现 在多使用气体或液体载体进行余热回收。 (二)中温余热的利用,由于中温余热的温度比高温余热要低,传热效率也相对要差。其中中高温这一范围的热烟气, 差不多都是用来作为预热空气和燃料的热源。 其中中低温的余热资源多数作为预热锅炉给水或预热锅炉补充水的热源。 例如锅炉排污水温度一般在 200—300℃之间,对于一般工业锅炉,1Kg 排污水约含有 500—950 千焦的热量,若排 污水量大时,排走的总热量数值相当可观。常见的锅炉排污水余热资源的利用方法主要包括利用排污膨胀器回收余热 或引入换热器加热给水。 (三)低温余热的利用,采用间接蒸汽加热设备产生的冷凝水,可以回收到锅炉再利用。对于其他低温余热的回收利 用,首先应该考虑通过合理地安排生产工艺流程,在流程内最大程度的利用余热。另外,可以利用热管和热泵技术对 30℃—60℃的低温余热资源提高其品位后再加以利用。 (四)几种常用的余热利用设备 1、换热器。余热利用过程中应用最多,最广泛的热交换设备。按照换热器的换热原 理基本上可以分成三大类:间壁式换热器,混合式换热器和蓄热式换热器。2、余热锅炉。原理和结构基本与普通工业、 动力锅炉相同。但其热源大部为某些生产过程中的剩余热量或过程尾部排出的热量。由于生产工艺过程以及排放条件 的不同,余热温度也不一样,一般在 500—1000℃之间,高的可达 1500℃以上。因此余热锅炉没有一个比较固定的理 论燃烧温度。余热锅炉根据其使用特点,基本上可分为两大类:烟道式(水管)余热锅炉和管壳式(火管)余热锅炉。 3、热管。为一种含有一定的工作流体的封闭容器,容器本身包括三个部分:蒸发段、传输段和凝结段。容器内的液体 在蒸发段从外部热源吸收潜热而汽化,汽化蒸汽通过传输段传到容器的另一端的凝结泵,向外部冷源放出潜热,蒸汽 重新凝结成液体。凝结的液体不需要外加机械装置,只靠毛细管作用即回流到原来的蒸发段,保持工质循环,从而实 现热量传递。热管是一种新型的高效率的传热装置,它可以再温差很小的情况下传递相当大的热负荷。热管的导热能 力强、构造简单、没有运动部件、工件可靠、重量轻,尤其对低温余热的回收更显出它的优越性能。热管在余热回收 方面的用途,大体上有以下几类:一是干燥、硫化和烘烤装置的余热回收;二是低温蒸汽的凝结热回收;三是蒸汽锅 炉的空气预热;四是空气干燥设备;五是暖通空调系统。4、热泵。工作原理与制冷机相同,只是它们使用目的不同。 热泵系统主要有蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四大部件构成。工质在系统内循环流动,自身热力状态不断发生变 化,在蒸发器中,从低温热源吸收热量汽化,蒸汽通过压缩机压缩成高温、高压的过热蒸汽,送入冷凝器,在冷凝器 中向高温热源放出热量,冷凝成高压液体,通过节流阀降压后,重新回到蒸发器。 第八:输配电系统节能技术 一、 (一)电力系统的基本组成及基本要求:1、基本组成:由发电机、变压器(升、降压) 、电力线、基本要求:保证发、供电的可靠性;保证良好的电能质量。表征电能质量的主要指标是电压频率和波形;保证 电力系统运行的经济性;最大限度的满足用户的用电需要。 (二)工厂供电系统的基本组成,工厂供电系统有工厂总降压变电所、高压配电线路、车间变配电所、低压线路和用 电设备组成。大、中型企业进线KV,中、小型企业进线KV。 二、 (一)供电系统措施 1、减少输电线路的损耗。五个方面:采用高压或超高压输电。对于相同的功率,电压升高, 则电流降低,线路损耗减少;减少变压级数。输电电压每经一次电压变换,大约要消耗 1%—2%的有功功率,所以减 少输电电压等级可减少损耗;合理配置变压器。避免变压器长期轻载、满载、超载运行,一般变压器容量的选择保证 负荷在 65%—75%时效益最高;安装无功补偿设备。可以提高输、配电系统的功率因数,降低系统的电能损耗,改善 供电质量。功率因数从 0.7—0.85 提高到 0.95,可降低线%;合理选择线路的材质和截面积。 (公式 64) 2、减少输电线路运行中的损耗。四个方面:调整电压。在保证二次电压的前提下,应尽量提高变压器的电压分接档位, 以减少铁损;使三相负载平衡。如果三相负载不平衡,将增加线损;处理好导线接头。减少导线接头的接触电阻,降 低线路损耗;实施经济调度。应制定各变电所变压器的经济运行曲线,对变压器及时投切,使变压器保持最佳运行状 态。3、配电变压器的节能措施。采用节能型变压器,如 S10、S11、S13 型;多台变压器并联运行时,合理选择变压器 的运行台数,可使变压器处于经济运行状态。公式 67 4、供电系统无功补偿节能技术(1)提高功率因数的途径:设法提高用电设备的自然功率因数;进行无功补偿。 ( 2) 安装无功补偿设备,可以提高供配电系统功率因数,降低能耗,改善电能质量。3)无功补偿容量的选择。假设配电网 年中最大负荷月份平均有功负荷为 Ppj,补偿前的功率因数为 cosΦ 1,补偿后的功率因数提高到 cosΦ 2,计算公式 68 (二)供配电系统的谐波抑制技术 1、供配电系统谐波产生的原因。电力电子装置的广泛应用,使得电力系统中电压 和电流的波形发生较严重的畸变,产生严重的谐波问题。2、谐波的危害。四个方面:增加了输、供和用电设备的电能 损耗;影响电力测量的准确性;影响继电保护和自动装置的工作可靠性;造成通讯混乱、计算机数据处理产生错误。 3、抑制谐波的措施。1)无源滤波器,无源滤波器是为谐波提供一条低阻抗路径,保留基波分量,而谐波通过滤波器 短路;2)有源电力滤波器,一种动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,它能够对幅值和频率变化的谐波以及 变化的无功进行补偿;3)混合型电力滤波器,就是把无源滤波器和有源滤波器结合一起实现抑制谐波的装置。 第九:电机系统节能技术 一、 (一)电机系统的组成及运行状况,1、组成。电机系统包括:电动机、被拖动装置、传动系统以及管网负荷等。 2、运行状况。我国电机的总装机容量已达 5 亿多千瓦,年耗电量达 1 万亿千瓦时以上。约占全国用电量的 60%,占工 业耗电量的 75%左右。0.55—200 千瓦的中小型异步电动机约占 80%。我国电机系统运行状况:一是电动机及拖动设备 效率低;二是系统运行效率低。 (二)电动机的分类,1、根据工作电源的不同,可将电动机分为交流电动机和直流电动机,其中交流电动机又分为单 相电动机和三相电动机,异步电动机和同步电动机。2、按转子结构分类,可将异步电动机分为笼型感应电动机和绕线 转子感应电动机。 (三)普通电动机的工作特性,1、异步电动机的工作特性,包括转速特性,电流特性,转矩特性,功率因数特性,效 率特性。电机空载时电机电流很小,转速接近同步转速,功率因数很低,效率为 0。带载时负载上升,电流增大,转速 下降,功率因数上升,效率上升。负载接近额定时功率因数最高。P=0.75PN 效率最高。2、直流电动机的工作特性, 包括转速特性,电流特性,转矩特性,效率特性。3、同步电动机的工作特性,包括电流特性,转矩特性,功率因数特 性,效率特性。同步电动机可对供电系统功率因数进行调节。 (四)常用机械负载的特性,四个方面:水泵类负载特性;风机类负载特性;恒功率负载特性;恒转矩负载特性。 二、 (一)电动机拖动风机及泵类负载的节能:1、选用节能型电动机、风机、泵。2、选用风机时,按正常操作流量的 1.1—1.15 倍及风压余量不超过 10%的要求考虑选用风机。3、选用泵时,在满足所需最大压力的情况下,其额定流量 为正常操作流量的 1.1—1.5 倍,扬程余量不超过 8%。4、根据负载功率的大小,合理选择电动机的额定功率,使电动 机运行时的平均负载率在 0.7—1 之间,确保电动机高效运行。对符合基本不变的电动机,若电动机输出功率为 P,根 据公式 Pe= (1—1.45) P 选取电动机额定功率。 对负荷变化的电动机, 先求出负荷变化周期内电动机输出的平均功率 P, 然后按 Pe=(1—1.45)P 选取电动机额定功率。 (二)电动机软启动节能技术,1、异步电动机硬启动的危害。三个方面:启动电流很大,对电网产生冲击;造成电机 损耗增加,影响寿命;对拖动的机械系统造成冲击,影响寿命。2、电动机软启动的特点及节能分析。五个方面:无冲 击电流。电动机软启动时,启动电流从零线性上升至设定值;恒流启动。软启动器可以引入电流闭环控制,使电动机 在起动过程中保持恒流,确保电动机的平稳起动;可根据负载特性调节起动过程的各种参数,保证电动机处于最佳的 起动状态;降低了电动机在空载或轻载时的输入电压,减小了电动机的损耗,提高了功率因数,减少了线路损耗;具 有过载、过流、缺相、过热等保护功能,提高了设备的可靠性。 (三) 变频调速节能技术, 1、 电动机变频调速的基本工作原理。 根据电动机学理论, 交流电动机的同步转速为: n0=60f/p, 式中:p—电动机定子绕组的磁极对数;f—电源频率。异步电动机的实际转速总是低于同步转速的,且随着同步转速 的变化而变化。当电源频率增加时,同步转速增加,电动机的转速也增加;电源频率下降,电动机的转速也下降。在 p 固定时,电动机的转速正比于电源的频率 f。这种通过变频器来改变电源频率实现速度调节的过程称为变频调速。 2、变频调速节能技术分析。通常配置风机、水泵、压缩机时,其额定流量高于需要的实际流量。其次,生产状况改变 时对流量的需求也发生变化,因此,需要对流量进行调节。若采用节流调节,会造成能量损失。若采用变频调速来调 节流量,可取得较好的节电效果。例如某一风机运行时转速为 n1,轴功率为 P1,通过变频调速,风机转速降低为 n2, 轴功率降低为 P2。风机轴功率与转速存在下列关系,P2/ P1=( n2/ n1)3,即风机两种运行工况下的轴功率之比是转速之比 的立方,风机转速若下降 10%,轴功率则下降 27.1%。 (四)空气压缩机的节能措施,1、选用节能型电动机。2、合理配置电动机与压缩机之间的传动装置,减少机械传动 过程中的能力损失,提高传动效率。3、空压机内部的活塞与缸套之间保持良好的润滑,减少摩擦损耗。4、减少气路 系统压力损失和泄漏。5、降低冷却水入口温度,提高冷却水流量,及时清除冷却器沉积物,采用软化水等提高冷却器 的交换热性能。6、在满足生产要求的前提下,适当降低排气压力可节约电能。7、采用变频调速控制技术。 (五)制冷压缩机的节能措施,1、根据实际温度需要选取制冷机型号。2、对运行参数合理控制,适当提高蒸发温度, 降低冷凝温度,可减少制冷机的能量损耗。3、采用就地无功补偿技术,减少线路损耗(电动机供电线、采用变频控制技术调节制冷量,可极大地提高制冷机的制冷系数,有效节约电能。 第十:电化学节能技术 一、 (一)电解质溶液,在水或其他溶液中,某些物质,如:氢氧化钠、硫酸等,会分解成带正电荷的阳离子和带负电 荷的阴离子,这正现象叫电离。能够电离的物质称为电解质。含有电解质的溶液称为电解质溶液。 (二)电解质溶液的导电能力,不同的电解质溶液有不同的导电能力,溶液中离子数量多、电场力强、溶液粘度小, 则导电能力强。我们习惯上用电导和电导率来表示溶液的导电能力。 (三)电极电位,由于双电层的存在,就会使金属 和溶液之间存在电位差,我们称为电极电位或平衡电位。 (四)电极极化,电流流过电极时,电极电位偏离了没有电流 时的值,称为电极极化。根据产生极化的机理不同,可将电极极化分为三种:浓差极化、电化学极化和纯化极化。 二、 (一)法拉第定律,在电解质导电的过程中,当两个电极之间有 96485 库伦电量(相当于 1mol 电子的电量)通过 电解质溶液时,会有 1mol 的反应物发生反应,同时也要有 1mol 的电解产物生成。 (二) 电流效率,电解时, 通过一定量的电流后,其电流效率η =P1/ P×100% 式中: P1 —反应产物的实际产量; P — 反应产物的理论产量。 (三)金属的阴极过程和阳极过程,在电化学反应中,阴极附近金属离子放电还原成金属的过程称为金属的阴极过程。 金属的阳极过程是指金属作为反应物发生氧化反应的过程。 (四)电化学的节能技术,1、合理选择和设计电解槽。在氯碱工业中,主要采用三种电解方法,即隔膜法电解、水银 法电解和离子膜法电解,其中离子膜法电解耗电量最小。铝电解工业的电解槽分为两类,即自焙阳极电解槽和预焙阳 极电解槽,大电流预焙阳极电解槽较老式自焙阳极电解槽,节电效果明显。电化学生产过程中的电流非常大,其耗电 量与槽电压成正比,因此,降低槽电压是节电的主要着眼点。2、改进工艺。在工件表面处理过程中控制好电解液中各 种成分的比例,氯碱生产中适当升高电解液的温度,电镀工件时选择电流效率高的镀种等工艺改进措施,都能有效地 节约电能。3、改进电极。电极一方面将直流电压加到电解槽上,通过大电流,另一方面,阳极和阴极往往也参与整个 反应过程,因此,电极性能的好坏对电化学过程有重要影响。4、使用添加剂,对于加速电化学反应过程,提高反应质 量和效率,有着明显的作用。5、采用高效电力整流电源。6、降低电解、电镀设备直流网络的压降损失。在安装电力 整流设备时,应使整流电源的位置尽量靠近电解槽,缩短供电路径。适当加大母线排的截面积,降低供电线路的电阻, 减少供电损耗。7、及时检测电解、电镀设备的运行状况,电流效率和平均槽电压每天至少测算一次,单槽电压每月测 试一次,以便掌握设备的运行状况。8、加强电解槽保温,减少电解槽的热损失。9、同人工控制相比,采用计算机控 制技术控制各种操作及运行参数,能够提高电流效率。 第十一:电加热节能技术 一、电加热设备是利用电热效应产生的热量加热物料的设备,主要是各种工业用电加热炉。电加热设备的特点。电加 热设备与燃料加热设备相比,具有以下优点:热效率高;电热功率密度大;温度控制准确;炉内气氛易控;易于实现 生产过程的机械化和自动化。电加热设备种类主要有 5 种:电阻加热设备、电弧加热设备、感应加热设备、远红外加 热设备和特殊加热设备。 二、 (一)电阻炉节能技术,1、采用耐火纤维、轻质砖等轻质、高效隔热材料作炉衬,减少炉壁的散热和蓄热损失。 2、改善电热元件性能,增强热辐射能力。3、提高炉门、炉盖和热电偶插孔等处的密封程度,避免金属热“短路” ,减 小进出炉输送装置的体积和重量,以免带出过多的热量。4、应采用大容量炉子,尽可能实现炉子连续运行,减少散热 损失。5、优化工艺参数。采用最优的加热能力、升温速度、加热时间以及装料量等。6、改善炉内功率和温度分布, 强化传热过程,加快进出料速度,减少炉门开发时间。7、盐浴炉节能。一是在选型上尽量选用埋入式盐浴炉,二是采 用快速启动节电技术。8、电阻炉的供电电流很大,供电线路应尽可能短,以减小线耗。 (二)电弧炉的节能技术 1、超高功率供电,可以加速炉料融化,减少冶炼时间,提高电弧炉的热效率。2、采用强化 用氧技术,可以加快钢的脱碳速度,并充分利用氧与原料中的碳、锰、硅等氧化释放的热量。3、采用泡沫渣技术,熔 炼过程中,向熔池内喷碳粉或碳化硅粉,加速炭的氧化反应,在渣层内形成大量的 CO 气体泡沫,使渣层厚度增加, 电弧完全被屏蔽,减少了电弧的热辐射损失,缩短了冶炼时间。4、采用偏心底出钢技术,可进行留钢、留渣操作,做 到无渣出钢,可以有效地利用余热预热废钢,缩短冶炼时间,降低电耗。5、废钢预热,冶炼产生的废气温度较高,利 用废气热量加热入炉炉料,使其温度升高,缩短加热时间,节电效果明显。6、使用氧燃烧嘴强化废钢的融化过程,对 缩短冶炼周期,降低电耗有显著的效果。7、降低短网的线、采用直流电弧炉可使冶炼熔化期大大缩短,电耗明 显减少。 (三)感应加热炉的节能技术 1、选择节能型电炉。2、提高有心感应炉感应体的性能。3、减小短网线、保证感应炉有较高的负荷率。5、采用合理的装料方法。6、对运行工艺及参数进行优化和改进。7、合理控制炉温 及冷却水温。8、提高功率因数。 (四)远红外加热设备的节能技术 1、合理选择辐射源的表面温度。2、合理配置远红 外线、加强炉体保温和密封,对脱水干燥的远红外加热炉,应采取排风措施。4、及时检查更换远红外线 辐射元件。 第十二:照明节能技术 一、 (一)电光源可以按照发光物质分类:电光源分为固体发光光源和气体放电发光光源。固体发光光源分为热辐射光 源(白炽灯、卤钨灯) 、场致发光灯、半导体发光器件。气体放电发光光源分为辉光放电灯(氛灯、霓虹灯)和弧光放 电灯。弧光放电灯又分为低压气体放电灯和高压气体放电灯,其中低压气体放电灯分为荧光灯和低压钠灯;高压气体 放电灯分为高压钠灯、高压汞灯、金属卤化物灯和疝灯。 (二)主要电光源简介,1、白炽灯。电流对灯丝加热至白炽灯状态而发光。优点:结构简单、成本低、显色性好、使 用方便。缺点:光效过低、寿命短。2、荧光灯。荧光灯通电后,等管内的汞蒸气放电产生紫外线,激发涂在灯管内壁 上的荧光粉而发光。特点:结构简单、光效和寿命是白炽灯 3 倍以上。3、高压钠灯。高压钠灯是一种利用高压钠蒸汽 放电发光的电光源。具有高效、节能、光通量大、透雾性强、光色柔和、寿命长等特点。缺点是显色性差。 4、金属卤化物灯。金属卤化物灯管内添加某些金属卤化物,通电后金属卤化物分解物的混合体辐射而发光。从而提高 了光效,改善了显色性,使用寿命也增加。5、高频无极荧光灯。高频无极荧光灯也称为高频等离子体无极放电灯,是 近年来国内外开发的一种新型电光源。由于采用耦合方式因此没有灯丝或电极,因此使用寿命很长(数万小时) 、可调 光、光效高、显色性好。缺点:价格高、有电磁干扰。6、LED 灯。LED 发光二极管是一种半导体 PN 结,电流通过时 可以发出光。LED 是一种冷光源,产生的热量很少。具有电压低、寿命长、可靠性高、发光效率高、能耗小等特点。 二、 (一)电光源的特性,1、发光效率。电光源发出的全部光通量与输入的电功率之比,单位是 lm/W(流明/瓦) 。光 效是电光源最重要的特性,光效越高的电光源,节能效果越好。2、色温。当光源的发光颜色与能够全部吸收光能的黑 体某一温度下辐射的光色相同或相近时,该温度称为光源的色温。3、光源寿命。通常由有效寿命和平均寿命两个指标 来表示。有效寿命是指灯开始点亮至灯的光通量帅急啊到额定光通量的 70%—80%之间的时间,单位为 h(小时) 。平 均寿命是指一组实验样灯,从点亮到 50%的灯失效的时间,单位为 h(小时) 。4、启动性能,热辐射电光源的启动性 能好,能瞬间启动,气体发光电光源大多不能瞬时启动。 (二)照明节能措施,1、选择合理的照度。照明设计时,应遵照国家制定的《建筑照明设计标准》要求,在保证合理 有效地照度和亮度的条件下,尽量减少照明负荷。2、选择高效电光源,尽量不选用白炽灯。紧凑型荧光灯同白炽灯相 比可节电 77%—86%,T5 荧光灯比 T8 荧光灯节电 20%—30%。3、选择高效灯具。灯具整体性能的好坏,对照明效果 和节能影响很大,如果选择不合理,能量损耗达 30%—40%;室内用灯具的效率不低于 70%,室外用灯具不低于 40%, 室外投光灯具不低于 55%。4、电子镇流器自身功耗仅相当于普通型电感镇流器的 1/4—1/3,使用电子镇流器节电效果 明显。5、合理安装布置照明灯具。6、采用照明节电控制措施,如光控、声控和智能控制。 第二章 新能源及可再生能源利用技术 第一:太阳能利用技术 一、 (一)太阳能发电原理 1、光—电直接转换方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能,光—电转换的基 本装置是太阳能电池。太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应,当硅晶体中掺入其他的杂志,如硼、磷等, 硅晶体中就会存在着一个空穴,当晶片受光后,PN 结中的 N 型半导体的空穴往 P 型区移动,而 P 型区中的电子往 N 型区移动,从而形成从 N 型区到 P 型区的电流,然后在 PN 结中形成电势差。2、光—热—电转换方式中的聚光类热发 电利用聚光集热器把太阳辐射能转变成热能,然后通过汽轮机做功发电。主要有塔式、碟式、槽式发电等;非聚光类 的太阳能发电技术有太阳能热气流发电方式。槽式太阳能热发电技术采用抛物面槽式聚光器来收集太阳辐射能,并把 光能直接转化为热能,通过换热器把水变成高温高压蒸汽做功发电。塔式太阳能热发电系统利用定日镜来跟踪太阳, 把太阳光聚焦在中心吸热塔的吸热器上,在吸热器上再将光能转变为热能,然后传递给热力循环的工质,驱动汽轮机 做功发电。碟式太阳能发电系统采用类似于盘状的抛物面镜聚光集热器。此发电系统借助于双轴跟踪、抛物型碟式镜 面将吸收的太阳能辐射集中在焦点处的接收器上,接收器将吸收的能量转化为热能,最后将热能转化为电能。太阳能 热气流发电利用太阳能集热棚吸收太阳的辐射能加热集热棚中的空气,使内部的空气密度变小,不断地使集热棚外部 的冷空气进入系统从而形成空气循环流动,在烟囱内形成气流带动涡轮发电机发电。 二、 (一)太阳能利用技术分类有四类:太阳能集热器;太阳能光伏发电技术;太阳能热发电技术;太阳能制冷与空调。 (二)太阳能集热器,集热器的核心是吸热板,其向阳表面涂有黑色吸热涂层。太阳能集热器有多种分类方法,最常 见的分类是按集热器工作温度范围分为高温(200℃以上) 、中温(100—200℃)和低温(100℃以下)集热器三种方式。 平板型太阳能集热器技术,优点是工艺简单,加工和运行成本低;可常压运行,五安全隐患;使用寿命长。缺点是昼 夜温度不均匀,表面热损大;低于 0℃时,易发生胀管;流动阻力分布不均,抗冻性能差;排管容易结垢。 全玻璃真空管式太阳能集热器采用真空技术,优点是热损低,集热管热效率高。缺点是不能承压,易结垢,价格较贵。 热管真空管式太阳能集热器具有工作温度高,承压能力大和耐热冲击性能好的特点,缺点是生产成本高,技术要求高。 (三)太阳能光伏发电技术,光伏发电的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接 把光能转化成电能的装置。太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅、多元化合物及聚光太阳能电池。目前技术最 成熟的是硅太阳能电池,多元化合物和聚光太阳能电池是未来发展方向。在能量转换效率和使用寿命等方面,单晶硅 和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率略低,但价格低。 (四)太阳能热发电技术,聚光类热发电利用聚光集热器把太阳辐射能转变成热能,然后通过汽轮机、发电机来发电, 主要有塔式太阳能热发电、碟式太阳能热发电、槽式太阳能热发电等。槽式热发电技术缺点:难实现双轴跟踪,致使 余弦效应对光的损失每年平均达到 30%;结构庞大;辐射损失仍然随温度的升高而增加。塔式热发电最大的缺点是单位 容量投资过大,降低造价比较困难。碟式太阳能发电优点是可单机标准化生产、综合效率高、使用寿命长、较强的运 行灵活性,缺点是抛物面形状的可跟踪系统大小受制作工艺限值,发电功率一般不超过几十千瓦,制造这种小功率的 斯特林发动机的主要障碍是成本高和可靠性低。 (五)太阳能制冷与空调,利用太阳能制冷主要途径:一是通过光电转换将太阳能转换为电能,再用电力驱动常规压 缩式制冷机进行制冷,如光电式、热电式制冷等,原理简单,容易实现,缺点是成本高;二是利用太阳能集热器等将 太阳能转换为热能,利用热能为驱动力进行制冷,该途径技术要求高,但成本低,无噪声,无污染,是目前太阳能在 制冷空调中应用的主要方式。第二种太阳能制冷主要有以下五种类型:太阳能吸收式制冷系统(消耗热能) ;太阳能吸 附式制冷系统(消耗热能) ;太阳能除湿式制冷系统(消耗热能) ;太阳能蒸汽压缩式制冷系统(消耗机械能) ;太阳能 蒸汽喷射式制冷系统(消耗热能) 。 第二:地热能利用技术 一、 (一)地热资源按温度分级分为三级:高温(大于 150℃) ;中温(90—149℃) ;低温(小于 89℃) 。 (二)地热发电原理,地热发电技术利用地热中的高温热流体通过汽轮机做功发电,分为蒸汽型和热水型两类。蒸汽 型地热发电通过将蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电,也称为一次蒸汽地热发电。热水型地热发电通过把 高温热水进行减压扩容生产二次蒸汽引入汽轮机进行发电,也称为二次蒸汽地热发电。包括闪蒸式和双循环式两种方 式,闪蒸系统是指热水井中抽出的高压水在 压力降低时会沸腾并闪蒸成高压蒸汽做功;在双循环系统中,地热水先流 经换热器,将地热传给另一种低沸点的工作流体,使之沸腾产生蒸汽做功。 (三)地源热泵原理,地埋管地源热泵以土壤为热泵系统的冷热源,通过在地下埋设换热装置,利用水泵驱动载冷剂 经过闭式循环管道,与周围土壤换热,从土壤中提取或释放热量。通过输入少量的高品位能源(如电能) ,可实现低温 位热能向高温位转移,是利用地热能的一种有效方式,该系统又称为土壤耦合热泵系统。 二、 (一)常用地热能利用技术分为六类:地热发电;地热供暖;地热务农;地热行医;地埋管地源热泵技术;地热制 冷空调技术。 (二)地热发电,蒸汽型包括背压式和凝汽式,蒸汽型地热发电发电方式简单,但干蒸汽地热资源有限, 且多存于较深的地层,开采难点大,发展受到限制。热水型双循环式发电方式适用于含盐量大、腐蚀性强和不凝性气 体温度要求较高,一般要求 150℃甚至 1000℃以上才比较经济。我国高温地热资源地区分布有限,主要集中在西藏、 云南的横断山脉一线,最著名的是西藏羊八井和云南腾冲。 (三)地热供暖,地热供暖分为直接和间接供暖方式。直接 供暖将地热水经过管道系统直接送往用户供暖,回水可作综合利用或回灌。对于有腐蚀性的地热水,一般采用间接供 暖系统。地热供暖还可用于干燥谷物、食品。 (四)地埋管地源热泵技术,系统由源侧环路、制冷剂环路、负荷侧环路 组成。地埋管换热器有水平型、竖直型和螺旋型三种方式。地源热泵的特点有利用可再生能源、节能、性能系数高、 对生态影响小等。确定有:系统的初投资较高;易在土壤中形成“热堆积”或“冷堆积”现象。 (五)地热制冷空调技 术利用地热水驱动吸收式制冷机,该技术要求地热水温 75℃以上,与电压缩式制冷系统相比,节电 60%以上。 第三:生物质能利用技术 一、 (一)生物质能转化方法,生物质能开发利用主要有物理方法、热化学转化方法及生物转化方法。物理方法改变生 物质的形状、致密度,如固化成型技术。热化学转化法是通过热化学将生物质转化制备得到一氧化碳、氢气、小分子 烃或生物质油等物质,包括生物质气化和生物质液化。生物转化是通过微生物或酶使得生物质进行生化反应的过程, 主要有厌氧发酵技术和特种酶技术,如沼气甲烷技术。 (二)生物质气化技术原理,气化的主要反应原理为氧气(空气、 富氧或纯氧) 、水蒸气或氢气等作为气化剂,在高温的条件下通过热化学反应将生物质中可燃部分转化为可燃气(主要 为一氧化碳、氢气和甲烷等)的热化学反应。基本反应包括固体燃料的干燥、热分解反应、还原反应和氧化反应四个 过程。 (三)生物质制沼气原理,人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物在密闭的沼气池内,在厌氧(没有氧气)条件下, 经过微生物的发酵作用而生成的一种可燃气体。 二、 (一)气化技术分类、设备、技术特点气化技术设备的核心部件——生物质气化炉是生物质转变为生物质燃气的关 键设备;气化炉可分为两大类:固定床气化炉和流化床气化炉。1、固定床气化炉:固定床气化炉,是指气流在通过物 料层时,物料相对于气流来说,处于静止状态,因此称作固定床。一般情况下,固定床气化炉使用与物料为块状及大 颗粒原料。固定床气化炉工艺一般采用空气为气化剂,特点是设备结构简单、易于操作、可以实现多种生物质原料的 热解气化、投资少等。但是得到的生物质燃气热值低,通常在 4200—7560KJ/m3 之间,属低热值可燃气,且生物质气 焦油含量高,容易造成管路堵塞。2、在硫化床气化炉中,一般采用砂子作为硫化介质(也可不用) ,由气化炉底部吹 入、向上流动的强气流使砂子和生物质物料的运行就像是液体沸腾一样漂浮起来。所以,流化床又称为沸腾床。流化 床气化炉具有气固接触混合良好,停留时间短,受热均匀,加热迅速,气化反应速度快,气化强度大,可频繁启停, 可燃气得率高,可燃气中焦油含量较小,综合经济性好等优点,非常适合于大型的工业供气系统。其缺点是出炉的可 燃气中含有较多的灰分,设备结构复杂,投资较大。 (二)制约生物质气化技术快速发展的主要问题:1、焦油问题。焦油问题是影响生物质气使用的最大障碍,焦油会堵 塞管路,污染气缸,堵塞火花塞或燃气孔,使发电与供气无法正常运行,还会引起二次污染。2、二次污染问题。气化 装置、净化装置需用大量的水作为除尘、除焦介质。除尘、除焦后的水含有焦油和灰分等有害物质,在排放前需进行 无害化处理,并尽可能循环使用,使其达到排放,从而减少由于除焦、除灰带来了二次污染。3、气体热值偏低问题。 由于生物质气可燃成分少,热值一般是天燃气热值的 1/17—1/7,热值偏低。为了满足热负荷的要求,就要消耗大量的 气体,这就使得贮气柜体积增大,投资增加。 (三)固化成型技术分类、成型设备及特点,生物质固化技术工艺流程包括热成型、常温成型和碳化成型。热成型工 艺是目前普遍采用的生物质固化成型工艺;常温成型工艺在常温将生物质燃料颗粒高压挤压成型的过程;碳化成型工 艺分为两类先成型后炭化和先炭化后成型两类方式。 (四)生物质制沼气技术条件沼气细菌;严格密封的沼气发酵池; 充足的发酵原料;发酵液浓度适当;适宜的温度;适宜的酸碱度;充分搅拌。 (五)生物质发电技术特点及存在的问题 生物质发电主要有混燃发电、直燃发电和气化发电三种类型。混燃发电技术成熟,投资少,效益好,比较适合于 原有燃煤电站的改造。生物质气化发电技术的特点:灵活性、洁净性及经济性。沼气发电设计需要考虑以下几个方面: 沼气脱硫、保持压力稳定及防爆;在进气总管上,需加装沼气—空气混合器,调节空燃比和混合气进气量;对沼气发 动机有要求较高;加装调速系统。沼气发电技术存在的问题,沼气发动机和发电机组还没形成规模化批量生产,科研 生产单位缺乏相关的研究经费,没有对其作深入研究开发的积极性。


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