淺談天然氣的供暖方式

付繼煒

摘要：隨著人民生活水平的提高，人們對(duì)能源的需求量越來越大。由于煤炭的污染非常嚴(yán)重，給城市環(huán)境帶來不利影響，燃煤正在被燃?xì)馑〈?。因此，燃?xì)獾挠昧亢陀脷夥秶谥鸩降臄U(kuò)大。本文就天然氣在供暖領(lǐng)域的應(yīng)用做了一些分析。

關(guān)鍵詞：天然氣供暖應(yīng)用

0引言

目前人們廣泛使用的燃?xì)庵饕譃槿N，即天然氣、煤氣和液化石油氣。天然氣是一種無色、無味、無毒且無腐蝕性的可燃?xì)怏w。主要成分為甲烷，也包括一定量的乙烷、丙烷和重質(zhì)碳?xì)浠衔?。還有少量的氦氣、氧氣、二氧化碳和硫化物。另外，在天然氣管線中還發(fā)現(xiàn)有水分。甲烷的分子結(jié)構(gòu)是由一個(gè)碳原子和四個(gè)氫原子組成，燃燒產(chǎn)物主要是二氧化碳和水。與其它化石燃料相比，天然氣燃燒時(shí)僅排放少量的二氧化碳粉塵和極微量的一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化物，因此，天然氣是一種清潔的能源。我國天然氣開發(fā)的快速進(jìn)展，使得天然氣在供暖領(lǐng)域得到廣泛利用。

1燃?xì)忮仩t

對(duì)于燃?xì)忮仩t，天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量直接用于供暖，是最簡(jiǎn)單的一種供熱方式。從規(guī)模一來看，這種供暖方式包括用于一家一戶的家用燃?xì)鉅t，一幢樓或一個(gè)小區(qū)的小型燃?xì)忮仩t以及用于大片面積供熱的區(qū)域性燃?xì)忮仩t。

1.1家用燃?xì)鉅t，這是目前應(yīng)用較為廣泛的一種天然氣供暖方式，通常設(shè)置于廚房或陽臺(tái)，配有先進(jìn)的電子點(diǎn)火控制、安全保護(hù)和溫度調(diào)節(jié)等系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)靈活，還能同時(shí)滿足生活熱水需求。但是，由于是分散燃燒，會(huì)影響社區(qū)的空氣品質(zhì)，同時(shí)也存在燃?xì)庑孤?、燃燒故障甚至發(fā)生爆炸等安全性問題。

1.2小型燃?xì)忮仩t實(shí)際上是一種規(guī)模較小的燃?xì)饧泄嵯到y(tǒng)，在用戶附近設(shè)置統(tǒng)一的燃?xì)忮仩t，向各用戶房間提供供暖熱水。這種供暖系統(tǒng)一般用于一幢商業(yè)建筑或辦公樓。由于將用戶熱源集中為一個(gè)，便于管理，提高了安全性，對(duì)用戶空氣的污染問題也相應(yīng)減輕。但需要增設(shè)鍋爐房和管網(wǎng)。

1.3區(qū)域燃?xì)忮仩t的規(guī)模更大，它需要通過熱網(wǎng)向大面積的用戶供熱。由于熱源更為集中，供熱系統(tǒng)運(yùn)行工況更加穩(wěn)定，鍋爐運(yùn)行效率更高，同時(shí)大型鍋爐更有條件采用先進(jìn)的低氮燃燒技術(shù)，環(huán)境污染更小，在一些已有的“煤改氣”區(qū)域供熱系統(tǒng)中可根據(jù)具體情況慎重應(yīng)用。但是，由于熱網(wǎng)投資大，熱水管網(wǎng)輸送能耗和熱損失高，這種燃?xì)夤┡绞讲恍谠谛陆▍^(qū)域供熱系統(tǒng)中推廣。

2燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)

對(duì)于純熱力發(fā)電系統(tǒng)，燃料一般只有少部分的能源轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電效率只有30％左右，而大部分燃料的能量形成余熱排到大氣。熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)則在發(fā)電的同時(shí)，利用了這部分余熱用以供熱，從而使得熱電聯(lián)產(chǎn)的能源利用效率可以達(dá)到80％以上。由于實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用，因而是比燃?xì)忮仩t先進(jìn)的供暖形式。評(píng)價(jià)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能源利用效率的指標(biāo)主要有熱電比和發(fā)電效率等。熱電比是指熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)或裝置的供熱量和發(fā)電量之比。

2.1鍋爐加供熱汽輪機(jī)是我國最常見的熱電聯(lián)產(chǎn)形式。燃料在鍋爐中燃燒后將熱量傳給蒸汽，由高溫高壓蒸汽帶動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，做功后的低品位的汽輪機(jī)抽汽A或背壓排汽用于供熱。這種系統(tǒng)適用于以煤為燃料，技術(shù)已非常成熟，主要設(shè)備也早已國產(chǎn)化。但由于占地大，負(fù)荷調(diào)節(jié)能力差，發(fā)電效率低，燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)一般只在煤改氣的熱電聯(lián)產(chǎn)中得以應(yīng)用，而在新建熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中很少采用。

2.2燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，分為單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)兩種形式。單循環(huán)的工作原理是：空氣經(jīng)壓氣機(jī)與燃?xì)庠谌紵胰紵鬁囟冗_(dá)1000℃以上、壓力在1.0～1.6MPa的范圍內(nèi)進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)推動(dòng)葉輪，將燃料的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，并拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。從燃?xì)廨啓C(jī)排出的煙氣溫度一般為450～600℃，通過余熱鍋爐將熱量回收用于供熱。大型的燃?xì)廨啓C(jī)效率可達(dá)30％以上，熱和電輸出的總效率一般能夠保持在80％以上。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷低于50％時(shí)，熱效率下降顯著。燃?xì)廨啓C(jī)組啟停調(diào)節(jié)靈活(平時(shí)啟動(dòng)時(shí)間約為10～15min，快速啟動(dòng)為6min左右)，因而對(duì)于變動(dòng)幅度較大的負(fù)荷較適應(yīng)。目前工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的生產(chǎn)基本上來自西方國家。上述單循環(huán)中余熱鍋爐可以產(chǎn)生參數(shù)很高的蒸汽，如果增設(shè)供熱汽輪機(jī)，使余熱鍋爐產(chǎn)生的高參數(shù)蒸汽在供熱汽輪機(jī)中繼續(xù)做功發(fā)電，其抽汽或背壓排汽用于供熱，可以形成燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)工程的發(fā)電效率進(jìn)一步得到提高，甚至可達(dá)到50％以上。

2.3另一種燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)形式以往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力裝置。當(dāng)規(guī)模較小時(shí)，它的發(fā)電效率明顯比燃?xì)廨啓C(jī)高，一般在30％以上，因而在一些小型的燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)中往往采用這種內(nèi)燃機(jī)形式。但是，由于內(nèi)燃機(jī)的潤滑油和氣缸冷卻放同的熱量品位較低(溫度不超過90℃)，而且該熱量份額很大，幾乎與煙氣回收的熱量相當(dāng)，因而這種供暖形式在供熱溫度要求高的情況下受到了限制。樓宇式熱電(冷)聯(lián)產(chǎn)是特別適用于商業(yè)建筑的小型高效天然氣供熱系統(tǒng)。所采用的動(dòng)力裝置均小型化，如小型燃?xì)廨啓C(jī)、微燃機(jī)及小型內(nèi)燃機(jī)等。與大型集中供熱(冷)方式的熱電(冷)聯(lián)產(chǎn)相比，樓宇式熱電(冷)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)省去了外網(wǎng)的投資和相應(yīng)的熱損失。但小型動(dòng)力裝置單位發(fā)電容量投資偏高。

2.4燃料電池是把氫和氧反應(yīng)生成水放出的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。它有3個(gè)基本構(gòu)件，即燃料(由CH₄生成H₂)處理裝置，燃料電池基本構(gòu)件和換流裝置(直流轉(zhuǎn)換成交流)。其基本原理相當(dāng)于電解反應(yīng)的逆向反應(yīng)。燃料(H₂或CO等)及氧化劑(O₂)在電池的陰極和陽極上借助氧化劑作用，電離成離子；因離子能通過在二極中間的電介質(zhì)在電極間遷移，在陰電極、陽電極間形成電壓，當(dāng)電極同外部負(fù)載構(gòu)成回路時(shí)就可向外供電。給出質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理：天然氣中的氫被分離成質(zhì)子和電子，質(zhì)子穿過膜，而電子繞過膜而形成電流；在膜的另一側(cè)，質(zhì)子和電子與氧結(jié)合，生成水，并產(chǎn)生另一副產(chǎn)品—熱量，用于供熱。燃料電池的種類不少，根據(jù)使用的電解質(zhì)不同，有磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)等。燃料電池具有無污染、高效率、適用廣、無噪聲和能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。它的發(fā)電效率可達(dá)40％以上，熱電聯(lián)產(chǎn)的效率也達(dá)到80％以上。目前，多數(shù)燃料電池正處于開發(fā)研制中，已經(jīng)推向市場(chǎng)的產(chǎn)品仍較昂貴(1500美元/kW以上)。但隨著該項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，必將在未來燃?xì)夤┡袠I(yè)起到越來越重要的作用。目前從事燃料電池研究和開發(fā)的主要有美國、加拿大、日本、德國等國的公司。我國也有大連化物所等多家單位從事燃料電池的研究。

3燃?xì)鉄岜?/p>

燃?xì)鉄岜檬怯扇細(xì)怛?qū)動(dòng)，利用環(huán)境熱量供熱的裝置，如圖5所示。燃?xì)鉄岜霉崃渴侨細(xì)鉄崃颗c環(huán)境熱量之和，因此它的效率高于燃?xì)忮仩t。攜帶熱量的環(huán)境介質(zhì)可以是周圍空氣、江河湖海的水，地?zé)嵋约捌渌酂峤橘|(zhì)等。根據(jù)工作原理的不同，可以分為燃?xì)鈮嚎s式熱泵和燃?xì)馕帐綗岜脙煞N。吸收式熱泵是通過工質(zhì)(如水)的蒸發(fā)和冷凝，以及溶液吸收和再生等傳熱傳質(zhì)過程來工作的。常見的工質(zhì)主要有溴化鋰溶液和氨一水等。對(duì)于溴化鋰燃?xì)鉄岜?，單效型熱泵供熱效率可達(dá)150％～170％，雙效型則可超過200％。由于技術(shù)條件的局限，在我國北方地區(qū)的嚴(yán)寒期因除霜困難和效率低等問題，燃?xì)鉄岜门c電動(dòng)熱泵一樣，直接從環(huán)境空氣吸熱的空氣源熱泵受到限制。但是，利用地?zé)?、江河湖海水和其他余熱的燃?xì)鉄岜脛t在北方地區(qū)更有推廣價(jià)值。

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