怎樣提高化石燃料的燃燒效率

【專家解說】：化石燃料的高效利用
基于熱力學(xué)第二定律的煳分析不斷深化了人們對能量和能量轉(zhuǎn)換過程的認(rèn)識.能量梯級利用理論的不斷發(fā)展,對促進(jìn)化石燃料高效利用起到了重要作用.
2.1 化石燃料的能量直接釋放
燃燒是化石燃料釋放其蘊(yùn)含能量的基本方式.燃?xì)廨啓C(jī)就是利用了燃燒過程和膨脹過程將化石燃燒轉(zhuǎn)化為電能.人們發(fā)現(xiàn)單機(jī)熱效率提高的幅度不會很大,原因膨脹透平排氣帶走的能量占很大比例.通過把燃?xì)廨啓C(jī)與其他用能系統(tǒng)聯(lián)系起來,綜合考慮整個系統(tǒng)的能流安排,合理利用燃?xì)廨啓C(jī)的余能,可以提高總的能源利用水平.按照能量品位的高低進(jìn)行利用,總的安排好功、熱(冷)與工質(zhì)內(nèi)能等各種能量之間的配合關(guān)系與轉(zhuǎn)換利用；在系統(tǒng)的高度上,總體綜合利用好各級能源,可以取得更有利的總效果陰.
吳仲華提出了能源利用必須“分配得當(dāng)、各得其所、溫度對口、梯級利用”,才能達(dá)到最有效的目的.溫度對口、梯級利用的熱力系統(tǒng)的典型例子有聯(lián)合循環(huán)、熱電聯(lián)產(chǎn)、分布式能源等.
(1)聯(lián)合循環(huán).聯(lián)合循環(huán)能明顯提高系統(tǒng)的熱效率,例如天然氣基聯(lián)合循環(huán),可以使得發(fā)電熱效率達(dá)到50％以上.聯(lián)合循環(huán)可以分成燃?xì)廨啓C(jī)一蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)、注蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)、卡林納循環(huán)和三重郎肯循環(huán)等.
(2)熱電聯(lián)產(chǎn).熱電聯(lián)產(chǎn)是熱機(jī)輸出機(jī)械功或電能的同時,還生產(chǎn)工藝用熱或生活用熱,又稱為熱電并供或者功熱并供.冷熱電聯(lián)產(chǎn)可以大幅度提高化石燃料的能量利用效率.熱電聯(lián)產(chǎn)取代小鍋爐運(yùn)行以后,節(jié)煤30％以上.熱電比高的企業(yè)的綜合熱效率達(dá)60％以上.
(3)分布式能源.分布式能源也稱分散式能源,它通過分稀在用戶端的小型、微型智能化能源梯級利用系統(tǒng),以及與之配合的各種可再生能源,就近滿足用戶對電力、熱力、制冷、生活熱水、除濕等多方面的需求.分布式能源的原則是綜合利用、梯級利用,不是以發(fā)電為主要目的,而是根據(jù)用戶的需求綜合而定的.分布式能源實(shí)現(xiàn)了對資源的深度綜合利用,將生產(chǎn)輸送環(huán)節(jié)的損耗降至最低,從而達(dá)到高效利用燃料的目的.
以上的化石燃料的能量轉(zhuǎn)化與利用,主要集中在熱力循環(huán)對燃燒熱的高效利用上,盡量對燃燒后的熱量“吃干榨盡”.但化石燃料直接燃燒過程是其能量轉(zhuǎn)化過程中煳損失最大的部分.
2.2化石燃料的能量“轉(zhuǎn)化”釋放與熱量利用
近些年來,隨著對能量品位(或能量品質(zhì))認(rèn)識的加深,人們相繼突破傳統(tǒng)熱轉(zhuǎn)換的認(rèn)識,探索利用化學(xué)轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)化石燃料的高效利用方式.一個典型的新方式是化學(xué)回?zé)崛細(xì)馔钙窖h(huán),簡稱化學(xué)回?zé)嵫h(huán).該循環(huán)關(guān)注通過清潔合成燃料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石燃料.另～個是化學(xué)循環(huán)(Chemical looping)燃燒.它把傳統(tǒng)的燃燒方式分解成兩個過程：金屬氧化物被化石燃料還原單元和金屬被空氣氧化單元.
化學(xué)回?zé)嵫h(huán)作為一種新穎有前途的天然氣發(fā)電系統(tǒng),具有低排放、高效率和余熱回收裝置相對簡單等優(yōu)點(diǎn),因而成為動力循環(huán)研究的熱點(diǎn)之一.以下簡要介紹化學(xué)回?zé)嵫h(huán)的研究進(jìn)展.Olmsted等人首先提出利用化學(xué)反應(yīng)回收透平排氣的廢熱來提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率.化學(xué)回?zé)嵫h(huán)的特點(diǎn)在于系統(tǒng)回收透平高溫排氣的余熱,用于甲烷、甲醇或二甲醚等燃料進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng),將其轉(zhuǎn)化為H2和CO的中間燃料.轉(zhuǎn)化后的氣體在燃燒室中燃燒,產(chǎn)生的高溫氣體進(jìn)入透平膨脹作功.
在化學(xué)回?zé)岱磻?yīng)循環(huán)中,提高反應(yīng)中燃料的轉(zhuǎn)化率是提高系統(tǒng)能量利用效率的關(guān)鍵因素之一.為了提高燃料的轉(zhuǎn)化率,一方面,曹文和鄭丹星以及王志方指出提高原料中C02的含量,并可以降低甲烷C02轉(zhuǎn)化和氫氣逆變換反應(yīng)的溫度；另一方面人們對較低溫度下能發(fā)生轉(zhuǎn)化的燃料如甲醇、二甲醚等進(jìn)行了研究.洪慧和金紅光等人提出了中低溫余熱與甲醇化學(xué)問冷相結(jié)合熱力循環(huán),探討中低溫余熱與清潔合成燃料間接燃燒相結(jié)合的能量釋放新思路.茍晨華和蔡睿賢等人提出了一種甲醇燃料燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán),以甲醇分解反應(yīng)吸收壓氣機(jī)出口空氣的低溫?zé)?使其轉(zhuǎn)化為高品位化學(xué)能；同時得到預(yù)冷的空氣參與回?zé)?以提高透平排氣余熱回收效果.
這些新穎的化學(xué)回?zé)嵫h(huán)關(guān)注化石燃料化學(xué)能與統(tǒng)內(nèi)透平排氣廢熱,促進(jìn)了化石燃料的能量充分利用,但無法解決資源有限的問題.