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能源动力工程进展作业作业 院系：能源与动力工程学院 专业：热能工程 学号：112080702003 姓名：连小龙 2013年1月1日 能源动力系统应与环境相协调 问题的提出 20世纪能源的开发、利用技术得到了空前发展, 人类在这100年中年能源供应量增长了10倍, 以化石燃料为主的能源利用结构对我们的生存与发展起到了关键性作用。但在现有技术下, 化石能源的大量使用给地球环境造成了严重危害, 使人类生存空间受到了极大的威胁。人们逐渐认识到: 人类赖以生存的地球既不是取之不尽的能源资源库, 也不是可以随意排放废物的垃圾场。可持续发展成为大家的共识, 人类因使用能源时伴生的大量有害物排放而造成的严重环境污染问题一直在困扰着科技界。 新世纪伊始, 保护生态环境问题的警钟继续在世界范围敲响。当今人类更加深切关注自身及后代的生存环境, 探索与环境协调相容的能源动力系统就成为备受人们关注的交叉科学难题, 它将引导能源科学未来一个世纪的研究方向, 它的解决将带来一场世界能源科技革命。 科学问题与难点 常规的能源动力系统存在四大弊病:燃烧过程中燃料品位的重大损失，中温段热能转换利用的断层, 低温段大量中低温热能排放损失以及对生态环境的严重污染。为此, 人们不断提出能量转换利用新概念、工程热物理过程新机制、热力循环新构思以及能源动力发展新模式, 在传统能源科学基础上不断开拓新的研究热点, 旨在建立可持续发展的能源动力系统, 尝试解决能源利用与环境协调相容的难题。下面阐述其中最重要的科技难点问题。 1.能的梯级利用与热力循环创新 热力循环是能源动力系统的基础框架。百多年来,各种热力循环的改进,原则上都是遵循一方面不断提高循环的最高温度与最低温度之比和提高部件性能,另一方面在同样的上述温比下尽量使实际循环以接近理想的卡诺循环的方向进行。 现已实行的最主要成果是把适合较高温区运行的布雷敦(Brayton)循环与适合较低温区运行的朗肯(Rakine)循环联合匹配的燃气蒸汽联合循环, 其最高实用效率已接近60%。但常规联合循环的顶底两循环之间平均传热温差较大,降低效率。对此提出一些改进建议,例如，Kalina循环、HAT循环、ABC空气循环以及氢氧联合循环等。但这些都还局限在物理能的转换利用的范围之内,在高温度区域的改进基本尚未进行,对提高系统效率的潜力有限。 新一代系统研究的重点科学问题是将梯级利用的概念引入化学能及化学能向物理能转化的阶段,实现化学能与物理能的综合梯级利用。为此, 尝试热力循环创新,通过多层次不同品位能的梯级利用,来达到更高效率的目标:首先,把化工产品生产过程与直接发电的非热力学循环结合起来,实现燃料化学能梯级利用；然后把高温加热的布雷敦与朗肯循环联合,并寻求有效的中低温热能利用途径, 以实现物理能高效率的转换利用。其重点与难点在于如何有效地减少化学能的损失, 单纯的热转功的熟力学循环动力系统对此是无能为力的。比较有可能获得突破的解决途径: ①热转功的热力循环与化工等其他生产过程有机结合。探讨热能( 工质的内能) 与化学能有机结合、综合高效利用,即不仅注重温度对口的热能梯级利用, 且有机地结合化学能的梯级利用,争取突破传统的联合循环的概念,以实现领域渗透的系统创新。②热力学循环与非热力学动力系统的有机结合。例如尝试把燃料化学能通过电化学反应直接转化为电能的过程( 如燃料电池)和热转功热力学循环的有机结合,以实现化学能与热能综合梯级利用等。 2.能量释放的新机制 传统的化石能源动力系统中, 燃料化学能是借助燃烧技术以热的形式释放出来,再通过热力学循环实现热转功、输出有效功。对化石燃料燃烧的能量释放方式的研究,相应也可分为三个阶段:最初是燃料能烧完就行,不考虑污染问题；第二个阶段主要解决了燃料化学能高强度和高效率释放的问题；近年来重视环保问题,对清洁燃烧及其他能源洁净利用措施的研究得到特别关注。但传统的火焰燃烧方式不仅造成巨大的可用能品位损失,而且还是系统有害排放物的主要来源。至今,减少燃烧过程品位损失的方法仅限于提高循环的初温,以达到提高热机效率的目的。打破传统火焰燃烧方式、寻求新的燃料能量释放机制则是更富创新意义的途径,它将成为同时解决能源效率和环境污染两大问题的一个科技关键。目前,正在积极探索研究的新型能量释放机制,主要有无火焰燃烧、部分氧化、高温空气燃烧、新型化学链反应燃烧等。初步研究表明,燃料电池( 电化学方法) 或无火焰燃烧、部分氧化燃烧等能量释放方法,都有可能降低化学能释放侧的品位,减少燃烧过程能的品位损失和有害物质量。 3.控制污染排放的新途径 能源利用中产生的大量SOx、NOx、排渣、飞灰、CO2等等, 造成严重的环境污染和生态破坏。常规办法是在系统后采取单项降污办法来去除, 即在系统或流程的尾部利用化学反应和催化剂分解