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燃气热电联产－文献综述

燃气热电联产－文献综述 2011年12月09日 来源： 　　人们所需要的能量主要有两种形式：热和电。以前发电，大部分是直接燃烧煤，将煤中的能量变成热能，再采用各种热力学循环来发电。即使是使用最合适的高温介质及最新的工艺，其轴功率都不高，效率最高的发电站也仅为40%，热损失很大，许多能量没有得以利用。　　最有效的能源供应系统是热电联产，它的总能效可达90%以上(1)。出自于节约一次能源，从而降低一次能量成本以及环境保护的需要，在世界上越来越多的开发及普及热电联产。1 原理概述　　根据定义，热电联产是在利用工艺释放大量热能的同时进行发电的方法。实际上不可能将储存在燃料中的能量全部转换成机械功和电能。利用释放的热量则可较好地利用燃料的能量。热电联产装置的基本原理如图1 所示。图1　热电装置原理　　将天然气用作生产动力(电)的原动机的燃料，且将原动机的废气中可回收的热量再供给工业或民用。与单独的热、电生产相比，可节省30%以上的一次能源。ηel－热电联产机组的电效率ηth－热电联产机组的热效率ηPs－普通电站的电力生产效率(包括电网损耗)ηB－集中供热锅炉的热效率图中数值为能量值，单位为千焦耳或千瓦图2 热电联产与分产的效率比较　　美国的Kolanows B.F. (2)将热电联产与当地的公用事业供电比较后表明，燃气热电联产的燃料使用率为89.2%；而买进的电的燃料使用率仅52.6%。一个部门使用热水583.2MJ/hr,买电62kW(1533MJ /hr)；若改用热电联产则总能耗将减少628.6MJ/hr，每年所耗的电、气及维修费要少花费45,933美元，节约60%。　　热电联产能有效地利用低污染燃料，天然气用于高层建筑的热电联产装置里，与集中燃煤发电厂引过来相同的电来比较，CO2排放将减少35%(3)。80年代在瑞士的许多城市里，已将热电联产用于区域性取暖，由于天然气中含硫量少而使SO2排放下降到无害水平，NOx排放也得到很大的控制(4)。法国的Buscaglione A.对此进行了统计，在西欧，1988年用电的10%和由工业部门耗电的23%是由工业现场发电系统生产的，共为208×109kWhr，其中有90×109kWhr是由热电联产系统生产的，与集中发电厂的燃料相比较，每kWhr节约燃料能源约5.3MJ。这样使欧洲少释放17吨CO2300,000吨硫酸与100,000吨硝酸(5)。根据COGEN Europe于1997年统计，热电联产方式的使用能源使欧联盟国家的CO2排放减少800×106t/年，据其计算，EU发电中30%用热电联产，到2010年CO2排放可减少221×106吨/年。　　此外采用了热电联产也意味着在该国或地区的燃料得到了更有效的利用；它还由于在小型厂中的被采用，因而可以促进风力、水力、生物等其它资源的发电。　　ARIN公司为美国燃气研究院(GRI)所进行的调查研究表明，燃天然气的热电联产系统的可靠性大大地超过了大部分的集中发电装置的可靠性，具有2,200MW总能力和200万小时操作时间的122套热电联产装置的平均有效率达到90-95%，而用其它矿物燃料的燃气透平为基础的发电装置的有效率85.9%(6)。　　热电联产系统中除了一系列的热交换器、废热锅炉、热泵外，由于直接关系到节能与环境保护，使用天然气作燃料的燃气引擎和燃气透平已成为系统中越来越重要的设备。图3、4所示为典型的燃气引擎和燃气透平的热电联产装置的流程图(7)。图3　典型的燃气引擎热电联产成套系统　　另外，热电联产系统的一种特殊手段－燃料电池作为新型的能源转换装置，具备优良的特性、转换效率高(>40%)，而且无污染、无噪音，因此已经成为人们注意的中心，下世纪燃料电池肯定能成为一种有效电源而投入市场。图4　双流体循环燃气透平示意图　　燃料电池是由电解质、阳极和阴极组成。氢气或富氧气体通过一个电极、氧气或空气通过另一个电极，发生反应，燃料被分解而释放氢电子以得到直流电，催化剂可促进反应，氢最终变成水或其它氧化物。每个电池产生的电压小于1V，成百个电池组成燃料电池系统。在大装置中，许多电池并联组合。其氢气来源是将天然气和石脑油进行蒸汽改制而得。　　在我国，燃料电池的研究开始于60年代

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