燃气燃烧与燃烧装置 教学课件 作者 刘蓉 刘文斌第八章燃气空调.pptVIP

第六节 天然气热电冷联供系统 以天然气为燃料的动力装置，例如燃气轮机、燃气内燃机、斯特林发动机、燃料电池等，在发电的同时，其排放的余热被回收，用于供热或驱动空调制冷装置，这种以天然气为燃料，同时具备发电、供热和供冷 （或除湿）功能的能源转换和供应系统，就是天然气热电冷联供系统（CCHP）。 天然气热电冷联供系统 热电冷联供系统的燃气设备 1.燃气内燃机 2.燃气轮机 3.微型燃气轮机 4.斯特林发动机 5.燃料电池 1.燃气内燃机 2.燃气轮机 3.微型燃气轮机 微型燃气轮机发电装置的结构图 4.斯特林发动机 某斯特林发动机活塞相位图 5.燃料电池 燃料电池是一种按电化学原理把储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的能量转换装置。 燃料电池不是热机，故不受卡诺循环的限制，所以效率高。氢是燃料电池的理想燃料，它清洁、无污染，而且不会产生二氧化碳等温室气体。 燃料电池根据其电解质不同有以下几类： （1）碱性燃料电池 采用氢氧化钾溶液作为电解液。这种电解液效率很高，但对影响纯度的杂质，如二氧化碳很敏感。因而运行中需采用纯态氢气和氧气。因而限于宇宙飞行及国际工程等领域的应用。 （2）质子交换膜燃料电池 采用极薄的塑料薄膜作为电解质，这种电解质功率大、重量轻、工作温度低。是适用于固定和移动装置的理想材料。 （3）磷酸燃料电池 采用200℃高温下的磷酸作为其电解质。作为一种中低温型燃料电池，不但具有发电效率高、清洁、无噪音等特点，而且还可以热水形式回收大部分热量。 （4）熔融碳酸盐燃料电池 是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池（600～700℃），很适合用于分散式的热电联产系统。 （5）固体氧化物燃料电池 采用的是固态电解质（钻石氧化物），性能很好。需要采用相应的材料和过程处理技术，因为电池的工作温度约为1000℃。固体氧化物燃料电池在高的工作温度下电池排出的高质量余热可以充分利用，使其综合效率可由50%提高到70%以上；它的燃料适用范围广，不仅能用H2，还可直接用CO、天然气（甲烷）、煤气化气，碳氢化合物等作燃料。这类电池最适合于分散和集中发电。 燃料电池的工作原理 其反应式为： 燃料极 （阳极）： 最适合用于冷热电三联供系统的熔融碳酸盐燃料电池 反应原理如下： 阴 极：O2+2CO2+4e– →2CO32- 阳 极：2H2+2CO32-→2CO2+2H2O+4e– 总反应：O2＋2H2→ 2H2O 与其他热电联产方式相比，燃料电池的优点： a.能量转换效率高 燃料电池按电化学原理直接等温地将化学能转化为电能，它不像常规电厂那样通过锅炉、汽轮机、发电机三级能量转换才能得到电能，因此既没有中间环节的转换损失，也不受热力学卡诺循环理论的限制，理论上它的发电效率可达85%~90%。但实际上，由于工作时各种极化的限制，目前各类燃料电池的实际能量转化效率为40%~60%，若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。 b.环境污染小 当燃料电池以天然气等富氢气体为燃料时，由于有较高的能量转换效率，其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上。除此以外，由于燃料电池的燃料气在反应前必须脱硫，而且按电化学原理发电，没有高温的燃烧过程，所以几乎不排放硫化物和氮氧化物，减轻了对大气的污染。 c.噪声低 燃料电池按电化学反应原理工作，结构简单，而且没有高速运转的机械，可以安静地将燃料的化学能转化为直流电能，然后再由直流电能通过逆变器逆变成交流电能。 d.负荷调节灵活 由于燃料电池发电装置是模块结构，容量可大可小，布置可集中可分散，且安装简单，维修方便。这种性能使燃料电池不仅能向家庭、城市公用事业用户提供独立热电冷联供系统，也能在用电高峰时作为调节的储能电池使用。 燃料电池的缺点如下： a.价格昂贵 燃料电池的价格是其他的分布式发电系统 （内燃机、燃气轮机）的2~10倍，目前最先进的燃料电池系统的价格相当于太阳能发电系统的价格。 b.维护比较专业 燃料电池的维护与其他的发电装置有很大的不同，目前这方面的专业维护人员非常缺乏。燃料电池发生故障之后，往往只能运回生产厂家进行维修，还无法做到现场更换电池堆。 c.燃料要求高 燃料电池对燃料非常挑剔，因此往往需要非常高效的过滤器，并且要经常更换。 某燃料电池热电冷联产系统 装配式空气加热器原理图 在有排风的餐厅作新风补充加热 综合反应式： 空气极 （阴极）： 第八章 燃气空调 燃气空调 燃气空调是直接用燃气作为能源的空调。 根据设备利用燃