付繼煒

摘要：隨著人民生活水平的提高，人們對能源的需求量越來越大。由于煤炭的污染非常嚴重，給城市環(huán)境帶來不利影響，燃煤正在被燃氣所取代。因此，燃氣的用量和用氣范圍正在逐步的擴大。本文就天然氣在供暖領域的應用做了一些分析。

關鍵詞：天然氣供暖應用

0引言

目前人們廣泛使用的燃氣主要分為三種，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氣體。主要成分為甲烷，也包括一定量的乙烷、丙烷和重質(zhì)碳氫化合物。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)是由一個碳原子和四個氫原子組成，燃燒產(chǎn)物主要是二氧化碳和水。與其它化石燃料相比，天然氣燃燒時僅排放少量的二氧化碳粉塵和極微量的一氧化碳、碳氫化合物、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)的快速進展，使得天然氣在供暖領域得到廣泛利用。

1燃氣鍋爐

對于燃氣鍋爐，天然氣燃燒產(chǎn)生的熱量直接用于供暖，是最簡單的一種供熱方式。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氣爐，一幢樓或一個小區(qū)的小型燃氣鍋爐以及用于大片面積供熱的區(qū)域性燃氣鍋爐。

1.1家用燃氣爐，這是目前應用較為廣泛的一種天然氣供暖方式，通常設置于廚房或陽臺，配有先進的電子點火控制、安全保護和溫度調(diào)節(jié)等系統(tǒng)，操作簡單，調(diào)節(jié)靈活，還能同時滿足生活熱水需求。但是，由于是分散燃燒，會影響社區(qū)的空氣品質(zhì)，同時也存在燃氣泄漏、燃燒故障甚至發(fā)生爆炸等安全性問題。

1.2小型燃氣鍋爐實際上是一種規(guī)模較小的燃氣集中供熱系統(tǒng)，在用戶附近設置統(tǒng)一的燃氣鍋爐，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，便于管理，提高了安全性，對用戶空氣的污染問題也相應減輕。但需要增設鍋爐房和管網(wǎng)。

1.3區(qū)域燃氣鍋爐的規(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)運行工況更加穩(wěn)定，鍋爐運行效率更高，同時大型鍋爐更有條件采用先進的低氮燃燒技術，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，這種燃氣供暖方式不宣于在新建區(qū)域供熱系統(tǒng)中推廣。

2燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)

對于純熱力發(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，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到80％以上。由于實現(xiàn)了能量的梯級利用，因而是比燃氣鍋爐先進的供暖形式。評價熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能源利用效率的指標主要有熱電比和發(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汽輪發(fā)電機組發(fā)電，做功后的低品位的汽輪機抽汽A或背壓排汽用于供熱。這種系統(tǒng)適用于以煤為燃料，技術已非常成熟，主要設備也早已國產(chǎn)化。但由于占地大，負荷調(diào)節(jié)能力差，發(fā)電效率低，燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)一般只在煤改氣的熱電聯(lián)產(chǎn)中得以應用，而在新建熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中很少采用。

2.2燃氣輪機熱電聯(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)壓氣機與燃氣在燃燒室燃燒后溫度達1000℃以上、壓力在1.0～1.6MPa的范圍內(nèi)進入燃氣輪機推動葉輪，將燃料的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，并拖動發(fā)電機發(fā)電。從燃氣輪機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。大型的燃氣輪機效率可達30％以上，熱和電輸出的總效率一般能夠保持在80％以上。當機組負荷低于50％時，熱效率下降顯著。燃氣輪機組啟停調(diào)節(jié)靈活(平時啟動時間約為10～15min，快速啟動為6min左右)，因而對于變動幅度較大的負荷較適應。目前工業(yè)燃氣輪機的生產(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，如果增設供熱汽輪機，使余熱鍋爐產(chǎn)生的高參數(shù)蒸汽在供熱汽輪機中繼續(xù)做功發(fā)電，其抽汽或背壓排汽用于供熱，可以形成燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)工程的發(fā)電效率進一步得到提高，甚至可達到50％以上。

2.3另一種燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)形式以往復式內(nèi)燃機為動力裝置。當規(guī)模較小時，它的發(fā)電效率明顯比燃氣輪機高，一般在30％以上，因而在一些小型的燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中往往采用這種內(nèi)燃機形式。但是，由于內(nèi)燃機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，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)。所采用的動力裝置均小型化，如小型燃氣輪機、微燃機及小型內(nèi)燃機等。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)的投資和相應的熱損失。但小型動力裝置單位發(fā)電容量投資偏高。

2.4燃料電池是把氫和氧反應生成水放出的化學能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。它有3個基本構(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)。其基本原理相當于電解反應的逆向反應。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，當電極同外部負載構(gòu)成回路時就可向外供電。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)運轉(zhuǎn)等優(yōu)點。它的發(fā)電效率可達40％以上，熱電聯(lián)產(chǎn)的效率也達到80％以上。目前，多數(shù)燃料電池正處于開發(fā)研制中，已經(jīng)推向市場的產(chǎn)品仍較昂貴(1500美元/kW以上)。但隨著該項技術商業(yè)化進程的推進，必將在未來燃氣供暖行業(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燃氣熱泵

燃氣熱泵是由燃氣驅(qū)動，利用環(huán)境熱量供熱的裝置，如圖5所示。燃氣熱泵供熱量是燃氣熱量與環(huán)境熱量之和，因此它的效率高于燃氣鍋爐。攜帶熱量的環(huán)境介質(zhì)可以是周圍空氣、江河湖海的水，地熱以及其他余熱介質(zhì)等。根據(jù)工作原理的不同，可以分為燃氣壓縮式熱泵和燃氣吸收式熱泵兩種。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。對于溴化鋰燃氣熱泵，單效型熱泵供熱效率可達150％～170％，雙效型則可超過200％。由于技術條件的局限，在我國北方地區(qū)的嚴寒期因除霜困難和效率低等問題，燃氣熱泵與電動熱泵一樣，直接從環(huán)境空氣吸熱的空氣源熱泵受到限制。但是，利用地熱、江河湖海水和其他余熱的燃氣熱泵則在北方地區(qū)更有推廣價值。

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